Цифровой измеритель длительности периода Советский патент 1990 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к импупьсной технике и может быть использовано при создании высокоточных цифровых частотомеров.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьшения динамической погрешности.

На фиг. 1 приведена структурная схема цифрового измерителя длительности периода; на фиг. 2 - временные диаграммы измерителя длительности периода.

Цифровой измеритель длительности периода содержит формирователь 1 импульсов измеряемой частоты, генератор 2 опорной частоты, формирователь 3 квантующих импульсов, Т-триггер 4, первый 5 и второй 6 вентили, счетчик 7 квантующих импульсов, регистр 8, первый счетчик 9 импульсов измеряемой частоты, первое 10 и второе 11 оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), первый преобразователь 12 кода , первый сумматор 13, первый накапливающий4 сумматор 14, второй счетчик 15 импульсов измеряемой частоты;, третье 16 и четвертое 17 ОЗУ, второй преобразователь 18 кода, второй сумматор 19 , второй накапливающий сумма тор 20 и цифровое отсчетное уст роист во (ЦОУ) 21.

Входная шина измерителя соединена с входом формирователя 1, выхор которого связан с первым входом первого вентиля 5 и Т-входом Т-триггера 45 , инверсный выход которого подключен к вторым входам вентилей 5 и 6. Выход первого вентиля 5 соединен с входами синхронизации записи счетчика 7, регистра 8, накапливающих сумматоров 14 и 20 и счетными входами счетчиков 9 и 15. Выход генератора 2 опорной частоты через формирователь 3 квантующих импульсов соединен со входом синхронизации формирователя 1 и первым вхо дом вентиля 6, выход которого связан со счетным входом счетчика 7. кодовый выход которого соединен с кодовым входом регистра 8, выход которого подсоединен к второму входу сумматора 13 и информационным входам ОЗУ 10 и 11, адресные входы которых соединены с кодовым выходом первого счетчика 9, информационные выходы старшего разряда которого соединены соответственно с управляющими входами ОЗУ 10 и 11, информационные выходы которых через преобразователь 12 ко

-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

да связаны с первым входом сумматора 13, выход которого подсоединен к накапливающему сумматору 14, выходы которого соединены с вторым входом сумматора 19 и информационными входами ОЗУ 16 и 17, адресные входы которых связаны с кодовым выходом счетчика 15, информационные выходы старшего разряда которого соединены соответственно с управляющими входами ОЗУ 16 и 17, информационные выходы которых через преобразователь 18 кода подсоединены к первому входу сумматора 19, выход которого через накапливающий сумматор 20 соединен с входом ЦОУ 21 , шина Пуск соединена с S-входом Т- триггера 4.

Формирователь 1 импульсов измеряемой частоты содержит усилитель-ограничитель 22, трехвходовый элемент И-НЕ 23, двухвходовый элемент И-НЕ

24,RS-триггеры 25 -и 26 и инвертор 27.

Вход Формирователя соединен с входом усилителя-ограничителя 22, выход которого подсоединен к первому входу элемента И-НЕ 23 и к R-входу триггера 26, инверсный выход которого связан с вторым входом элемента И-НЕ 23, выход которого соединен с первым входом элемента И-НЕ 24 и R-входом триггера

25,прямой выход которого подсоединен к S-входу триггера 26 и через инвертор 27 к выходу формирователя, вход синхронизации которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ 24 и S- входом триггера 25.

I

Устройство работает следующим образом,

В исходном состоянии перед началом измерений регистр 8, ОЗУ 10, 11,16 и 17, а также элементы памяти накапливающих сумматоров 14 и 20 устанавливаются в нулевое состояние. Счетчик 7 квантующих импульсов устанавливается в состояние 1. На вход S установки Т-триггера 4 поступает сигнал нулевого уровня с входа Пуск устройства (фиг. 2г). Этот сигнал удерживает Т-триггер 4 в единичном состоянии, при котором на управляющие входы первого вентиля 5 и второго вентиля 6 поступают потенциалы, запрещающие проход сигналов через эти вентили, Входной сигнал, период которого необходимо измерить, поступает с входа формирователя 1 импульсов изч

515

меряемой частоты на вход усилителя- ограничителя 22, фронты импульсов на выходе которого соответствуют моментам перехода смеси сигнала и шума че- реэ фиксированный, например, нулевой уровень. С выхода усилителя-ограничителя 22 импульсы сигнала измеряемой частоты поступают на первый вход трехвходового элемента И-НЕ 23, кото- рый совместно с двухвходовым элементов И-НЕ 24 образует RS-триггер, служащий для задержки формирования сигнала низкого (нулевого) уровня на входе сброса R первого RS-триггера 25 (фиг. 2д) при совпадении во времени фронта импульса сигнала измеряемой частоты и квантующего импульса, действующего на входе синхронизации формирователя 1 импульсов измеряемой частоты (фиг. 2,в). Такая задержка позволяет исключить помехи типа состязания. Таким образом, первый квантующий импульс, поступивший на вход установки первого RS-триггера 25 после фронта импульса измеряемой частоты с положительной производной, формирует на прямом выходе первого RS-триггера 25 импульс нулевого уровня (фиг. 2з). Этот импульс через ин- вертор 27 поступает на выход формирователя 1 импульсов измеряемой частоты, воздействуя на вход установки S второго RS-триггера 26, формирует на инверсном выходе последнего сигнал нулевого уровня (фиг. 2ж), который блокирует трехвходовый элемент И-НЕ 23. Последний формирует на своем выходе сигнал единичного уровня (фиг.2 д), препятствуя формированию импуль- сов на прямом выходе первого RS-триггера 25 (фиг. 2з). Сброс второго RS- триггера 26 осуществляется после ближайшего импульса измеряемой частоты с отрицательной производной. При этом сигнал единичного уровня (фиг. 2ж) с инверсного выхода второго RS-триггера 26 поступает на второй вход трехвходового элемента И-НЕ 23, подготавливая его к приходу очередного фронта импульса измеряемой частоты с положительной производной (фиг. 26). Таким образом, на выход формирователя 1 импульсов измеряемой частоты проходят квантующие импульсы (фиг. 2и), при- шедшие во времени непосредственно за фронтами импульсов измеряемой частоты с положительной производной. Интервал времени между соседними, привязанными

Q 5 0 5 0 « 0

5

766

таким образом, квантующими импульсами равен измеренному значению соответствующего периода исследуемого сигнала Тизм с учетом погрешности от квантования и шумовой погрешности (фиг. 2и). Импульсы с выходаформирователя 1 импульсов измеряемой частоты поступают на сигнальный вход первого вентиля 5 и на счетный вход Т-триггера 4, но не изменяют исходного состояния устройства, так как первый вентиль 5 блокирован по управляющему входу сигналом с инверсного выхода Т-триггера 4, который удерживается в нулевом состоянии сигналом нулевого уровня, приложенным к его входу сброса с собственного прямого выхода. Счетчики 9 и 15 импульсов измеряемой частоты, имеющие коэффициенты пересчета соответственно 2(п,+ 1) и 2(п2+ 1),где п.| и п г - целые числа, удовлетворяющие условию n f+ п г п, могут находиться в произвольном состоянии. Для определенности положим, что перед началом измерения они установлены в нулевое состояние. При этом первое ОЗУ 10 сигналом на входе управления установлено в режим записи в нулевую ячейку, а второе ОЗУ 11 - в режим чтения из нулевой ячейки. Соответственно третье ОЗУ 16 установлено в режим записи, а четвертое ОЗУ 17 - в режим чтения. Код нуля с выхода второго ОЗУ 11 (так как все ОЗУ в исходном состоянии обнулены) поступает на вход первого преобразователя 12 кода, который на своем выходе формирует дополнительный код входного сигнала. Этот код вычитается из кода, поступающего с выхода регистра 8, с помощью первого сумматора 13 (так как суммирование с дополнительным кодом эквивалентно операции вычитания). С выхода первого сумматора 13 код нуля (так как вычитание из нуля нуля дает нуль) поступает на информационный вход первого накапливающего сумматора 14. Аналогичным образом второй сумматор 19 совместно с вторым преобразователем 18 .кода осуществляет вычитание кода нуля с выхода четвертого ОЗУ 17 из кода (также нулевого) на выходе первого накапливающего сумматора 14.

Измерительный процесс начинается после подачи сигнала Пуск единичного уровня на вход установки Т-тригге ра 4 (фиг. 2г). Первый пришедший посч

ле этого сигнала импульс измеряемой частоты с выхода формирователя 1 им- пупьсов измеряемой частоты (фиг. 2и) поступает на счетный вход Т-триггера 4 и своим спадом переводит последний в нулевое состояние. При этом на прямом выходе Т-триггера 4 формируется сигнал нулевого уровня, который, поступая на вход R сброса Т-триггера 4S удерживает его в нулевом состоянии. На инверсном выходе Т-триггера 4 формируется сигнал единичного уровня (фиг. 2к), разрешающий проход сигналов через первый вентиль 5 и второй вентиль 6. При этом квантующие импульсы через второй вентиль 6 поступают на счетный вход счетчика 7 квантующих импульсов. К моменту прихода второго от начала измерения импзшьса измеряемой частоты в счетчике 7 квантующих импульсов фиксируется число импульсов К, , выработанных за интервал времени, равный первому с момента начала измерения периоду исследуемого сигнала (учитывая, что счетчик 7 квантующих импульсов начинает счет из состояния 1). Второй импульс измеряемой частоты через открытый первый вентиль 5 (фиг. 2л) поступает на вход синхронизации регистра 8 и переписывает в него код Kf, воздействуя на вход синхронизации записи счетчика 7 квантующих импульсов, устанавливает его в состояние 1 и подготавливает к квантованию второй период измеряемого сигнала. Код К с выхода регистра 8 записывается в первую ячейку первого ОЗУ 10 и поступает на второй вход первого сумматора 13. Одновременно второй импульс изме- ряемой частоты поступает на вход синхронизации накапливающих сумматоров 14 и 20 и по своему переднему фронту фиксирует в них нулевые коды с выходов сумматоров 13 и 19. Второй им- пульс измеряемой частоты приходит на счетные входы первого счетчика 9 импульсов измеряемой частоты, и своим спадом (задним фронтом) увеличивает его состояние на единицу. При этом подключаются вторые ячейки ОЗУ 10,

11, 16 и 17. В интервале времени межд вторым и третьим импульсами измеряемой частоты счетчик 7 квантующих импульсов осуществляет квантование второго периода измеряемого сигнала, а на выходе первого сумматора 13 формируется код разности кода К, с выхода

5

0

5 0 0

0

регистра 8 и кода с выхода второй ячейки второго ОЗУ 11, в котором в данном случае записан .Следовательно, на выходе первого накапливающего сумматора 14 формируется кодt К - 0 К. Третий импульс измеряемой частоты фиксирует код К результата квантования второго периода измеряемой частоты в регистре 8 и код К1 с выхода первого сумматора 13 - в первом накапливающем сумматоре 14. При этом коды К .j с выхода первого накапливающего сумматора 14 и Кг с выхода регистра 8 заносятся во вторые ячейки соответственно ОЗУ 16 и 10, адресуемых счетчиками 9 и 15 импульсов измеряемой частоты, которые после окончания третьего импульса измеряемой частоты устанавливаются в состояние, при котором на кодовом выхо- це формируется код К2, и подключают третьи ячейки ОЗУ 10-, 11, 16 и 17. При этом на выходе сумматоров 13 и 19 формируются соответственно коды А и А :

А К г - 0 К 2; А К , - 0 К ,.

Четвертый импульс измеряемой частоты фиксирует код К5 результата квантования третьего периода измеряемого сигнала в регистре 8 и, поступая на вход синхронизации первого накапливающего сумматора 14 и второго накапливающего сумматора 20, фиксирует в них соответственно коды В и В :

В К t- О + К, К KI;

В К , - 0 К,.

При этом коды Kg из регистра 8 и В из первого накапливающего сумматора 14 переписываются в третьи ячейки соответственно ОЗУ 10 и 16. После окончания четвертого импульса измеряемой

частоты счетчики 9 и 15 импульсов измеряемой частоты увеличивают свое состояние на единицу и адресуют четвертые ячейки всех ОЗУ.

Таким образом можно записать выражения для кодов В. и В.1, формируемых на выходах соответственно накапливающих сумматоров 14 и 20 после квантования-1-го периода исследуемого сигнала, т.е. после прихода (Ј+1)-..го импульса измеряемой частоты , при

j-ii М-1

В; Т К.-; В1. 1L 1L К;. (1)

)1 J l J Соответственно в i-e ячейки ОЗУ 10 и 16 записываются код К, и код В.

91

После окончания квантования (п+1) го периода измеряемой частоты, т.е. при i п, +1 (для определенности положим, что ), первый счетчик 9 импульсов измеряемой частоты устанавливается в состояние п + 1, при котором на его кодовом выходе формируется код О, а на управляющих выходах сигналы изменяются таким образом, что первое ОЗУ Ю переключается в режим чтения, а второе ОЗУ 11 - в режим записи информации (счетчик 9, например, может быть реализован в. виде последовательно соединенных дву счетчиков с коэффициентами пересчета соответственно гц + 1 и 2, при этом кодовый выход соответствует кодовому выходу первого счетчика, а управляю- ,щие сигналы снимаются с прямого и инверсного выходов второго счетчика с коэффициентом пересчета 2). При этом код Kf, записанный в первой ячейке первого ОЗУ 10, считывается из последнего и, пройдя первый преобразователь 12 кода, преобразуется в код отрицательного числа -К п. Следовательно, на выходе первого сумматора 13 формируется код К п, + ,- К,, а код Кп +, записывается в первую ячейку второго ОЗУ 11. Следующий -импульс измеряемой частоты (после квантования (п, + 2)-го периода, i п + 2) фиксирует на выходе второго накапливающего сумматора 14 код суммы

в; - |KJ + Kv-K f n,J -K,ZV(2)

Таким образом, при n1 + 1 : i n1 + + 1 запись кодов К осуществляется во второе ОЗУ 11, а на вход первого преобразователя 12 кодов считываются кодыК,, , запомненные в первом ОЗУ 10. При этом формирование кода Bf на выходе второго накапливающего сумматора 14 производится в соответствии с выражением:

1-1-п

f-1-n,

в, - Г к, -

С к - Ј- к 2-

К,- j:i-f

jW-fl, ;i

а формирование кода В . на выходе рого накапливающего сумматора 20 изводится в соответствии с выражем:

1176

10

м Lj.i

jmrj-n.

К

(4)

При i n i + 1, т.е. после оконча- ния квантования (па + 1)го периода измеряемой частоты, второй счетчик 15 импульсов измеряемой частоты устанавливается в состояние п + 1, при котором на его кодовом выходе формируется код адреса О 1, а сигналы на управляющих выходах переключаются таким образом, что третье ОЗУ 16 переходит в режим чтения, а четвертое ОЗУ 17 - в режим записи информации 5 (счетчик 15 построен аналогично счетчику 9). При этом код В1, считанный из первой ячейки третьего ОЗУ 16, преобразуется в отрицательный код

5

0

5

-В с помощью второго преобразователя 18 кода и поступает на первый вход второго сумматора 19. На выходе последнего формируется код В. - В1, т.е. при 1 i 2 (п г 4- 1) запись кодов В. с выхода второго накапливающего сумматора 14 осуществляется в четвертое ОЗУ 17, а на вход второго преобразователя 18 кода считываются коды В;-п1 запомненные в третьем ОЗУ 16. Следовательно, в этом случае для значения кода В. на выходе первого накапливающего сумматора 20 можно записать выражение

;., 1-пг- f- -n Ј Bj - f-i

В;

, -пг}

BJ

BJ

В . J

(5)

Подставив в получают

(5) значение В- из (3),

0

В.

J-

к

m

(6)

w.j-n, + 1) первый счетчик 9

При i 2(п1 импульсов измеряемой частоты сбрасы5 вается в О и формирует управляющие сигналы таким образом, что первое ОЗУ 10 переходит в режим записи, т.е. в режим задержки очередных кодов К. на интервал времени, равный сумме дли0 тельностей гц последующих периодов входного сигнала, а второе ОЗУ 11 переключается в режим чтения информации, т.е. считывания кодов К ,- п , предшествующих i-му периоду входного

сигнала. Аналогичным образом при i 2(п1 + 1) второй счетчик 15 импульсов измеряемой частоты переполняется и формирует - на кодовом выходе код О. При этом ОЗУ 16 и 17 переключаются соответственно в режим записи кодов В- и в режим чтения кодов Bj.n . Наличие пар ОЗУ 10, 11 и 16, 17, попеременно работающих в режимах записи и считывания, позволяет совмещать во времени процессы задержки кодов К- , В , и процессы считывания кодов

К

5-п,

В, П4

что обеспечивает высо

кое быстродействие устройства,

Установившийся режим, т.е. режим„ при котором прекращается монотонное увеличение величин В; и в ; (изменение В; и В происходит только под воздействием изменения измеряемой величины и влияния погрешностей измерения),наступает по прошествии п , n /j n периодов исследуемого сигнала от начала измерительного цикла. Из выражения (6) следует, что установившееся зна- чение внутренней суммы наступает после накопления п7 кодов квантованных периодов входного сигнала, т.е. после накопления п „ периодов исследуемого сигнала из-за вычитания кодов К -,п задержанных на nfl периодов,количество кодов К., участвующих в формировании суммы остается постоянным и равным п ,, Аналогичным образом для установления суммы (6) необходимо накопить п а установившихся сумм В ;, Следовательно, для получения установившегося режима в устройстве необхо

п Ј п квантовандимо накопить п + ных периодов входного сигнала, а код BJ на выходе второго накапливающего сумматора 20 в установившемся режиме пропорционален среднему из п периоду входного сигнала. Для доказательства последнего утверждения и определения коэффициента пропорциональности находят математическое ожидание В/-«

(7)

40 цифрового отсчетного устройства, ход формирователя импульсов измер мой частоты соединен с Т-входом Т триггера, инверсный выход которог соединен с вторыми входами первог

К . j«1-ni «nsj-n, ™

В силу линейности операций суммирова- 45 ВТ°Р°ГО вентилей, прямой выход Тния выражение(7) можнопереписать в

виде

т- j-t

jsi-n M j-ntJsi-n,

в t-i

Kn Kn,n, , (8) j - - i T

где К Km- значение измеряемого периода, выраженное через число импульсов опорного квантующего сигнала.

Следовательно, В1, пропорционально измеряемой величине и оценка среднего из п периодов измеряемого-сигнала получается в виде

триггера соединен с R-входом Т-три гера, выход первого вентиля соеди со счетными входами первого и вто го счетчиков импульсов измеряемой 5р частоты, с синхронизирующими входа счетчика квантующих импульсов, ре стра, первого и второго накапливаю щих сумматоров, кодовые выходы сч чика квантующих импульсов соедине с соответствующими входами регистр кодовые выходы которого соединены информационными входами первого,в рого оперативных запоминающих устройств, адресные входы которых сое

55

Т t,,B./n n

1

(91

где t

При

- длительность периода опорного сигнала.

этом, поскольку код В; формируется по каждому импульсу измеряемой частоты, интервалы времени Т между моментами съема результатов измерения при проведении серии последовательных измерений равны Т..

Формула изобрет

е н и я

5 5

1 . Цифровой измеритель длительности периода, содержащий последовательно соединенные входную шину, формирователь импульсов измеряемой частоты и первый вентиль, а также второй вентиль, первый счетчик импульсов измеряемой частоты, генератор опорной частоты, формирователь квантующих импульсов, регистр, первый сумматор, цифровое отсчетное устройство, выход генератора опорной частоты соединен с формирователем квантующих импульсов, выход регистра соединен с соответствующими входами первого сумматора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет снижения динамической ошибки измерения, в него дополнительно введены Т-триггер, второй счетчик импульсов измеряемой частоты, четыре опера5 тивных запоминающих устройства, два преобразователя кодов, два накапливающих сумматора, второй сумматор, выход которого через второй накапливающий сумматор соединен с входом

0 цифрового отсчетного устройства, выход формирователя импульсов измеряемой частоты соединен с Т-входом Т- триггера, инверсный выход которого соединен с вторыми входами первого и

0

триггера соединен с R-входом Т-триг- гера, выход первого вентиля соединен со счетными входами первого и второго счетчиков импульсов измеряемой р частоты, с синхронизирующими входами счетчика квантующих импульсов, регистра, первого и второго накапливающих сумматоров, кодовые выходы счетчика квантующих импульсов соединены с соответствующими входами регистра, кодовые выходы которого соединены с информационными входами первого,второго оперативных запоминающих устройств, адресные входы которых сое5

1315

динены с кодовым выходом первого счетчика импульсов измеряемой частоты, информационные выходы старшего разряда которого соединены соответ- i ственно с управляющими входами перво- го и второго оперативных запоминающих устройств, информационные выходы которых через первый преобразователь кода соединены с первым входом первого сумматора, выход которого через первый накапливающий сумматор соединен с информационными входами второго сумматора и третьего, четвертого оперативных запоминающих устройств, адресные входы которых соединены с кодовыми выходами второго счетчика импульсов измеряемой частоты, информационные выходы старшего разряда которого соединены соответственно с управляющими входами третьего и четвертого оперативных запоминающих устройств, информационные выходы которых через второй преобразователь кода соединены с первым входом второго сумматора, выход формирователя квантующих импульсов соединен с входом синхронизации формирователя импульсов измеряемой частоты и первым вхо

1

5

0

5

7614

дом второго вентиля, выход которого соединен со счетным входом счетчика квантующих импульсов, 3-:вход Т-триг- гера соединен с шиной Пуск измерителя ,

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что формирователь импульсов измеряемой частоты содержит усилитель-ограничитель, трех- входовый элемент И-НЕ, двухвходовый элемент И-НЕ, два RS-триггера, инвертор, выход которого является выходом формирователя, вход которого через усилитель-ограничитель соединен с первым входом трехвходового элемента И-НЕ и R-входом второго RS-триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом трехвходового элемента И-НЕ, выход которого соединен с первым входом двухвходового элемента И-НЕ и R-входом первого RS-триггера, прямой выход которого соединен с входом инвертора и S-входом второго RS-триггера, первый вход двухвходово- го элемента И-НЕ соединен с S-входом первого RS-триггера и входом синхронизации формирователя.

Изобретение относится к импульсной технике. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения динамической погрешности. Цель достигается за счет введения Т-триггера 4, первого, второго оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) 10, 11, первого преобразователя 12 кода, первого накапливающего сумматора 14, второго счетчика 15 импульсов измеряемой частоты, третьего, четвертого ОЗУ 16, 17, второго преобразователя 18 кода, второго сумматора 19, второго накапливающего сумматора 20. Кроме того, измеритель содержит формирователь 1 импульсов измеряемой частоты, генератор 2 опорной частоты, формирователь 3 квантующих импульсов, вентили 5, 6, счетчик 7 квантующих импульсов, регистр 8, счетчик 9 импульсов измеряемой частоты, цифровое отсчетное устройство 21. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

a s s / / / / / /л /л

гМ гК -,,

«вЦи 4U -«4®----5о4-ж

5 ГП

At

i Kf-lrfrH, гпм hi hi hyi

It

В Р.ППП

пппппппппппцпппппппппппппп ппппппппппппппп

дТ

ndtnc

1ПППППППППППППППП„ПППППППППППППП ;,ППППППППППППППГ ж 1 I-I I1 I-I ,Г-1 ГП I-I „Г-1 ГП /

J

It

1L