Способ измерения частоты Советский патент 1990 года по МПК G01R23/02 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для использования в высокоточных диф- ровых частотомерах-периодомерах, а также в цифровых системах автоматической подстройки частоты.

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

На фиг . 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ измерения частоты; на фиг.2 - временные диаграммы сигналов, поясняющих работу способа измерения частоты.

Способ измерения частоты заключается в следующем.

Из входного сигнала (фиг.2а), частоту которого измеряют, формируют короткие иьтульсы в моменты перехода его (с положительной производной) через фиксированный уровень, например, нулевой (фиг. 26). Формируют квантующие импульсы образцовой частоты fj, 1/tp (Лиг. 2г). Далее форм11руют серии квантующих импульсов, совпадающих с временными интервалам Т« (фиг. 26) между (i-l)-rbiM и i-ым импульсами измеряемой частоты. Затем формируют сигнал, несущий информащ1ю о числе К ,.j. : квантующих импульсов в (i-j+1)-oй серии. Эти сигналы задерживают (п-1) раз на интервал времени T,. 4-i , равный соответствующему периоду измеряео

оо со о:)

00

мого сигнала. При этом по каждому i-ому короткому импульсу измеряемого сигнала осуществляют сумиирование с весом g п. 4f смежных сигналов, несу- щих информацию о числе К J-j 4-1 квантующих импульсов в каждой серии, задержанных соответственно на 0,1,2, ..., (п-1) периодов относительно i-ro периода исследуемого сигнала, т.е. измеренное значение среднего периода и частоты исследуемого сигнала получают после каждого i-oro короткого импульса измеряемого сигнала соответственно в виде

V

Т; t« К: ;. й«.и. ;(1)

i о i-j+i ett-jti F 1/Т.(2)

Из вьфажения (1) следует, что в установивщемся режиме, т.е. при ii п, значение Тj равно оценке среднего из п периодов измеряемого сигнала, а мертвое время Т, между смежными моментами получения измерительной ин- формации равно Т/ Ч к. Т.

На весовые коэффициенты gh-. для получения несмещенной оценки накладывается ограничение

,, Например, при g.j., 1/п const реализуется простейший среднеинтег- ральный алгоритм с дисперсией стати- ческой погрешности измерения, равной

Gj 262/W2,

где G - дисперсия погрешности квантования при измерении одного периода GO t2/12,

.При g,-,, 6j(n-j + 1)/n(n+1)(n+2) имеем оптимальньй алгоритм цифрового измерения частоты с дисперсией статической погрешности измерения

G (п+1)(п+2),

(3)

равной статической погрешности известных способов.

Статическая (шумовая) погрешность измерения обусловлена шумами, присутствующими во входном сигнале, пгумами формирующих элементов измерителя и, наконец, шумами от квантования. Эта погрешность зависит от суммарной мощ- HOCTg С шумов, рремени усреднения (/ и вида весовой функции g(t,1) (весовых коэффициентов g ), реализуемой измерителем.

Динамическая погрешность - разност между результатами измерения и входд с

0 5

0

5

0

5

0

-

ной величиной, изменяющейся во. времени, при нулевой статической погрешности измерения. Динамическая погрешность зависит от ширины спектра измеренного сигнала, времени усреднения и от интервала квантования измеряемой величины.

Для определения динамической погрешности iTo рассмотрим линейную модель изменения периода входного сигнала Т- TQ + 1ЛТ, где TO const, а также будем считать, что в интервалах между моментами получения измерительной информации за измеренное значение принимается результат измерения Т, , полученный в предьдущем цикле измерения. Тогда, пренебрегая для простоты статической погрешности, получим

AT т; - Tj,

I / -JH i-J

- g о-зЧ1 T,--j S,-j4, TO + ( |..g.j4, T, (i-j)uTy

AT(4)

Сравнение с известными способами позволяет определить вы:я;грьш Q в повышении точности измерения за счет снижения динамической ошибки

Q niT/UT п.

Для предлагаемого способа динамическая ошибка измерения оказывается в п раз меньше по сравнению с известными способами, благодаря уменьшению мертвого интервала времени между отсчетами измерительной информации. Учитывая,, что на практике п 1 вьшг- рьш в повьш1ении точности получается весьма существенным.

Устройство, реализующее способ измерения частоты (фиг,1), содержит последовательно соединенные генератор 1 опорной частоты и формирователь 2 квантующих импульсов, а также формирователь 3 импульсов измеряемого сигнала, счетчик 4, элемент 5 задержки, сумматор 6, п умножителей 7, п после- довательно соединенных регистров 8 памяти, и последовательно соединенные дешифратор 9 и индикатор 10. Вход формирователя 3 импульсов измеряемой частоты является входом устройства, реализующего способ для измерения частоты, выход формировате1я импульсов

516

соединен со входом элемента 5 задержки и со входами синхронизации сумматора 6 и регистров 8 памяти. Выход элемента 5 соединен с входом сброса счетчика 4, счетный вход которого соединен с выходом фop иpoвaтeля 2 квантующих импульсов, а выход - с входом первого из п последовательно соединенных регистров 8 памяти. Выход каждого регистра 8 памяти соединен с первым входом соответствующего умножителя 7. Вторые входы умножителей 7 подключены к соответствующим кодовым входам устройства, а выходы - к ин- формацион1а1м входам сумматоров б .Вы-- ход сумматора 6 соединен с входом дешифратора 9 .

Входной сигнал, частоту (период) которого необходимо измерить, посту- пает на формирователь 3 импульсов измеряемой частоты (фи1. 2а), на выходе которого образуется поток коротких импульсов, соответствующих моментам перехода сигнала через нулевой уро- вень с положительной производной (фиг.26). Эти импульсы поступают на входы синхронизации записи регистров 8 памяти и, через элемент 5 задержки, на вход сброса счетчика 4, На счетный вход счетчика 4 поступают квантующие импульсы с выхода формирователя 2 квантующих импульсов, сфорьшрованных из сигнала генератора 1 опорной частоты. Таким образом, i-ый импульс измеряемой частоты переписывает код а числа К квантующих импульсов, сформированных в интервале йремени Т между (1-1)-ым и i-ым импульсаг.и измеряемой частоты, с выхода счетчика 4, в первый регистр 8 памяти, а код а , числа К;, квантзпощих импульсов, сформированных в предьщущий интервал времени Т,, , - во второй регистр 8 памяти, код a,.jц., числа . квантующих импульсов, сформированных в интервале времени ., , которьш j периодов входного сигнала предшествовал интервалу времени Т, , переписывается в j-ый регистр 8 памяти. По аналогии код ,, числа К,-. квантующих импульсов, сформированных в интервале времени . предществовав- шем п периодам входного сипшла тому назад интервалу времени Т-, переписывается в п-ый регистр 8 памяти. После окончания i-oro и fflyльca входного сигнала коды с выходов регистров 8 памяти поступают на входы соответствующих

S86

умнож1гтелей 7, на другие входы ксгго- рых поступают коды весовых коэффищ - ентов соответственно g, gр.,..., 8 f|., J Si Коды результатов - ножания :;g,, К ;., g ,, . . . , K-,,gp.t,, ...,K.f,., g суммируются в сумматоре 6, С1 едовательно, после i-oro импульса измеряемой частоты на выходе сумматора 6 Лop пIpyeтcя код числа

У1 с; ,, gn-зЧ, .(5)

Одновременно по i-ому и myльcy измеряемой частоты код, сформированный на выходе сумматора 6 в предьрдущем периоде выходного сигнала, поступает в дегифратор 9, ив индикаторе 10 фиксируется значе1ше измеренного среднего периода входного сигнала. Поскольку код числа К образуется путем счета квантующи): импульсов с периодом tg в течение интервала времени между (i-j)-biM и (i-j + 1) импульсами измеряемой частоты, т.е. в течеЧ ние интервала , то оценки соответственно периода и частоты измеряемого сигнапа получаются в виде

0 5 о

5

0

0

Т f Г

f i/t.c;.

(6)

) -о

Данное устройство реализует предлагаемый способ измерения частоты, в котором задержку кодов aj осуществляют (п-1) регистров 8 памяти, которые могут бьп-ь выполнены, например, в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). В этом же ОЗУ могут быть размещены коды весомых коэффициентов g- . Умножители 7 и сумматор 6 могуд- бьп-ь реализова {Ы, например, в виде центрального процессорного элемента (1ЩЭ) на базе микропроцессорного комплекса (МПК). Регистр 8 памяти, стоящий непосредственно на выходе счетчика 4, слухшт для хранения кода а числа К;5 квантующих иьшульсов, сформированных в интервале времени , так как счетчик 4 непосредственно после окончания i-oro импульса измеряемого сигнала начинает счет кван- тующ11Х импульсов, формируемых в интервале времени Т;(, примыкающем к интервалу времени Т;. Среднее время между моментами формирования кода результата измерения на выходе сумматора 6 равно периоду Т измеряемого сигнала при времени усреднения С « пТ.

Таким образом, благодаря использованию дополнительных операций: осу( за|ществлению (п-1) задержек кода |числа К квантующих импульсов, (фиксированных за i-ый период Т| из- |меряемого сигнала и весового суммирования с весом g.j,- кодов (/, задержанных соответственно на 0,1, ;2, . .. ,n-j , . . . ,п-1 периодов предлагае|мый способ измерения частоты позвоности измерения в п раз, где п- - чи ло усредняемых периодов-входного си нала .

Формула изобретени

Способ измерения частоты, основа ный на формировании коротких импул сов в моменты перехода с положител

ляет существенно (на несколько поряд-Ю ° производной сигнаЛа измеряемой

ков) по сравнению с известньш повысить точность измерения за счет уменьшения динамической погрешности |при той же статической погрешности |измерения.15

I Известготр способ цифрового измерения частоты характеризуется тем, что числовые значения измеряемой величи- 1ны форм фуются в моменты времени, разделенные интервалом времени усред-20 негшя , т.е. имеет место допол1ш- телышя дискретизация измеряемой величины во времени с интервалом с , который во многих случаях существенно превышает максимально допустимый ин- 25 тервал временной дискретизации, определяемой теоремой. б.А.Котельникова.

Представленный способ измерения частоты обеспечивает возможность форчастоты через фиксированный уровень формировании квантующих импульсов образцовой частоты f 1/t , форми ровании серий квантующих импульсов образцовой частоты, образуемых в смежных временных интервалах, заклю ченных между сформированными корот кими импульсами измеряемой частоты а также на весовом суммировании се рий квантующих импульсов, отли чающийся тем, что, с целью повьппения точности измерений серий квантующих импульсов, в каждой из торых содержится К,.,. импульсов разцовой частоты, дополнительно (праз задерживают на интервал времени T,, ) равный соответствующему пе риоду измеряемого сигнала, через ин тервалы времени, равные периоду из ,ряемого сигнала, осуществляют суммя рование смежных п серий квантующих импульсов, задержанных соответстве но, на (n-j) периодов измеряемого сигнала с весом g.j- , где j 1, ...,п, п - число периодов измеряем сигнала, а средний период Т- и сре нюю частоту измеряемого сигнала определяют по формулам

мирования перекрывающихся интервалов време1Ш усреднения , последователь |Но сдвинутых во време1И на один пери од вхояного сигнала. Следовательно, числовые отсчеты результата измерени в способе следуют друг с другом с ин тервалом времени, равным периоду вхоного сигнала, т.е. в данном способе отсутствует паразитная методическая временная дискретизация измеряемой величины с интервалом Ъ , и обеспечи вается снижение динамической погрет

ности измерения в п раз, где п- - число усредняемых периодов-входного сигнала .

Формула изобретения

Способ измерения частоты, основанный на формировании коротких импульсов в моменты перехода с положитель ° производной сигнаЛа измеряемой

1/Т

частоты через фиксированный уровень, формировании квантующих импульсов образцовой частоты f 1/t , формировании серий квантующих импульсов образцовой частоты, образуемых в смежных временных интервалах, заключенных между сформированными короткими импульсами измеряемой частоты, а также на весовом суммировании серий квантующих импульсов, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерений серий квантующих импульсов, в каждой из которых содержится К,.,. импульсов образцовой частоты, дополнительно (п1) раз задерживают на интервал времени T,, ) равный соответствующему периоду измеряемого сигнала, через интервалы времени, равные периоду изме- ,ряемого сигнала, осуществляют суммя- рование смежных п серий квантующих импульсов, задержанных соответственно, на (n-j) периодов измеряемого сигнала с весом g.j- , где j 1,2, ...,п, п - число периодов измеряемог сигнала, а средний период Т- и среднюю частоту измеряемого сигнала определяют по формулам

п К;

Т t« , -О

)-«

i-j-n

F;

фиг.1

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для использования в прецизионных частотомерах-периодомерах и в цифровых системах автоматической подстройки частоты. Цель изобретения - повышение точности измерения. Способ основан на формировании коротких импульсов в моменты перехода измеряемого сигнала через фиксированный уровень, формировании квантующих импульсов с образцовой частотой, формировании сигнала, несущего информацию о числе квантующих импульсов, сформированных в интервале времени между импульсами измеряемого сигнала. Дополнительно осуществляют (N-1) задержек сигнала, несущего информацию о количестве квантующих импульсов, и через интервалы времени, равные периоду исследуемого сигнала, производят весовое суммирование N смежных по времени сигналов, задержанных соответственно на (N-J) периодов входного сигнала с весом G_N-J+1, где J=1,2,...,N. Средний период и частота измеряемого сигнала определяется по формулам, приведенным в описании изобретения. 2 ил.

J--V-T f-/-V-+-V-yf

Ti-j4

BJL

IwJ

fI I II .

fb

и J ,t I M I M I I I M I M

bJ

1

-Uf

//2.2