Устройство для измерения повторяющихся интервалов времени Советский патент 1991 года по МПК G04F10/04 

(Л

С

Изобретение относится к импульсной технике. Целью изобретения является повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены формирователь 3 псевдослучайной последовательности, цифроаналоговый преобразователь 4, компаратор 5, генератор 6 коротких импульсов, умножитель 7 частоты, блок 11 усреднения, формирователь 12 пилообразного напряжения. Кроме того, устройство содержит задающий генератор 1, делитель 2 частоты, элемент И 9, счетчик 10 результата, первый триггер 13, счетчик 14 числа измерений, второй триггер 15. Приведен пример выполнения блока 11 усреднения. 1 з.п. ф-лы. 3 ил.

Стоп

Выход

Os

ю о ю

Јь 00

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для измерения повторяющихся интервалов времени в радиолокации, радионавигации, автоматике.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для измерения повторяющихся интервалов времени; на фиг. 2 и 3 - времен- ные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения повторяющихся интервалов времени (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, делитель 2 частоты, формирователь 3 псевдослучайной последовательности, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 4, компаратор 5, генератор 6 коротких импульсов, умножитель 7 частоты, формирователь 8 счетных им- пульсов, элемент И 9, счетчик 10 результата, блок 11 усреднения, формирователь 12 пилообразного напряжения, первый триггер 13, счетчик 14 числа измерений и второй триггер 15.

Выход задающего генератора 1 соединен с входом формирователя 12 пилообразного напряжения и входом делителя 2 частоты, выход которого соединен с вторыми входами счетчика 10, блока 11, триггера 15, с входом счетчика 14 числа измерений и входом формирователя 3 псевдослучайной последовательности, выход которого соединен с входом ЦАП 4, выход которого соединен с первым входом компаратора 5, второй вход которого соединен с выходом формирователя 12, выход компаратора 5 через последовательно соединенные генератор 6 коротких импульсов, умножитель 7 частоты, формирователь 8 соединен с первым вхо- дом элемента И 9, второй вход которого соединен с выходом триггера 13 и первым входом триггера 15, выход которого соединен с третьим входом триггера 13, первый и второй входы которого соединены соответ- ственно с шинами Старт и Стоп устройства. Выход элемента И 9 соединен с первым входом счетчика 10, выход которого соединен с первым входом блока 11 усреднения, третий вход которого соединен с первым выходом счетчика 14, второй выход которого соединен с четвертым входом блока 11 усреднения, выход которого является выходом устройства.

Блок 11 усреднения (фиг. 1) содержит сумматор 16, первый регистр 17, коммутатор 18 и второй регистр 19.

Первый вход блока усреднения соединен с первым входом сумматора 16, выход которого соединен с первым входом регистра 17, выход которого соединен с вторыми входами сумматора 16, коммутатора 18, первый вход коммутатора 18 соединен с третьим входом блока, четвертый вход которого соединен с вторыми входами регистров 17 и 19, второй вход блока соединен с третьим входом регистра 17, выход коммутатора 18 соединен с первым входом регистра 19, выход которого является выходом блока.

Перед началом работы блоки 2,3,10,11 и 13 - 15 устанавливаются в исходное состояние (цепи установки на фиг. 1 не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Последовательность импульсов с частотой повторения f с выхода задающего генератора 1 поступает на делитель 2 частоты, на выходе которого формируются прямоугольные импульсы с частотой f/n, где п - коэффициент деления делителя 2 частоты. Одновременно импульсы с выхода задающего генератора 1 поступают на формирователь 12 пилообразного напряжения, на выходе которого формируются импульсы с линейно нарастающей амплитудой с частотой следования (фиг. 2а).

Прямоугольные импульсы с выхода делителя 2 частоты с частотой следования f/n поступают на формирователь 3 псевдослучайной последовательности, на выходе которого формируется периодическая последовательность нулей и единиц длиной N 2т - 1, где т - число разрядов формирующего регистра сдвига. ЦАП 4 формирует из этой последовательности ступенчатое напряжение (фиг. 26), амплитуда которого меняется по псевдослучайному закону. В компараторе 5 происходит сравнение напряжений с выхода формирователя 12 пилообразного напряжения (второй вход) и с выхода ЦАП 4 (первый вход). При превышении амплитудой линейно нарастающего на- пряжения амплитуды ступенчатого напряжения на выходе компаратора 5 формируется положительный перепад напряжения (фиг. 2в). Передний фронт этого перепада напряжения запускает генератор 6 коротких импульсов, вырабатывающий импульсы постоянной длительности (фиг. 2г). Частота следования этих импульсов определяется частотой следования пилообразных импульсов и равна f, a начальная фаза - моментом совпадения уровней напряжений с выхода формирователя 12 пилообразного напряжения и ЦАП 4. Таким образом, на выходе генератора б коротких импульсов формируются пачки импульсов, начальная фаза которых скачкообразно меняется по закону псевдослучайной последовательности (ПСП) с дискретом

Ду 2л/МК. В умножителе 7 частоты частота следования этих импульсов повышается в К раз до величины, определяемой быстродействием первых каскадов счетчика 10 результата. Формирователь 8 счетных импульсов преобразует гармонический сигнал с выхода умножителя 7 частоты в последовательность импульсов с частотой fC4 f К, которая поступает на вход элемента И 9. Начальная фаза этих импульсов скачкообразно изменяется по закону ПСП с дискретом К Д. Для обеспечения минимальной ошибки дискретности измерения временных интервалов начальная фаза импульсов на выходе формирователя 8 счетных импульсов за один период ПСП должна скачкообразно меняться в пределах от 0 до 2 п. Для обеспечения этого условия уровни напряжений на выходах формирователя 12 пилообразного напряжения и ЦАП 4 при регулировке подбираются так, что обеспечивается скачкообразное изменение начальной фазы импульсов на выходе генератора 6 коротких импульсов за тот же период ПСП в пределах от 0 до 2 я /К, где К - коэффициент умножения умножителя 7 частоты.

При этом минимальный дискрет скачкообразного изменения начальной фазы пачек импульсов на выходе формирователя 8 счетных импульсов должен составлять 2 JT/N, а минимальный дискрет скачкообразного изменения начальной фазы пачек ипульсов на выходе генератора 6 коротких импульсов должен составлять соответственно 2 7T/NK.

В практически важных случаях стартовая и стоповая последовательности импульсов (фиг. 36 и в) формируются при достаточно высоком отношении сигнал - шум и основной вклад в погрешность измерения временного интервала вносит ошибка дискретности. Поэтому достаточно, чтобы на каждом такте ПСП, формируемом делителем 2 частоты (фиг. За), измерялся один временной интервал между стартовой и стоповой последовательностями импульсов (фиг. Зг). Для обеспечения такого режима измерений повторяющихся интервалов времени на второй вход второго триггера 15 поступают импульсы с выхода делителя 2 частоты (фиг. За). По переднему фронту каждого такого импульса второй триггер 15 переводится в единичное состояние и уровень логической единицы с его выхода поступает на третий вход первого триггера 13, разрешая перевод его в единичное состояние стартовым импульсом. Поступающий на первый вход первого триггера 13 стартовый

импульс (фиг. 36) переводит его в единичное состояние и уровень логической единицы поступает на второй вход элемента И 9. При этом импульсы с выхода формирователя 8 счетных импульсов через элемент И 9 поступают на вход счетчика 10 результата (фиг. Зд). При поступлении на второй вход первого триггера 13 стопового импульса (фиг. Зв) он переводится в нулевое состоя0 ние. При этом на второй вход элемента И 9 поступает уровень логического нуля и запрещает поступление счетных импульсов на вход счетчика 10 результата.

Таким образом, счетчик 10 результата

5 фиксирует двоичный код, характеризующий измеряемый интервал времени между стартовой и стоповой последовательностями импульсов. Одновременно уровень логического нуля с выхода первого триггера 13

0 поступает на первый вход второго триггера 15 и переводит его в нулевое состояние. При этом уровень логического нуля с выхода второго триггера 15 поступает на третий вход первого триггера 13 и запрещает перевод

5 его в единичное состояние стартовым импульсом. При поступлении на второй вход второго триггера 15 следующего импульса с выхода делителя 2 частоты (фиг. За) цикл измерения повторяется, однако начальная

0 фаза этой пачки счетных импульсов имеет уже другую величину (фиг. Зд).

Параллельный код с выхода счетчика 10 результата по окончании каждого измеряемого интервала времени поступает на пер5 вый вход сумматора 16, где суммируется с параллельным кодом, поступающим на его вход с выхода первого регистра 17. Одновременно импульс с выхода делителя 2 частоты поступает на вторые входы счетчика

0 10 результата и первого регистра 17. Счетчик результата при этом обнуляется, а результат суммирования записывается в первый регистр 17. Таким образом в сумматоре 16 происходит операция суммирова5 ния предыдущего кода Второй вход с последующим Первый вход, т.е. происходит операция суммирования с накоплением. При этом в сумматоре 16 происходит операция усреднения в двоичном коде. Результат

0 усреднения с выхода первого регистра 17 поступает на второй вход коммутатора 18, который в зависимости от времени усреднения определяет с каких разрядов первого регистра 17 снимать усредненное значение

5 кода, характеризующего длительность временного интервала, которое затем переписывается во второй регистр 19. Происходит это в момент переполнения счетчика 14 числа измерений по импульсу переполнения (фиг. За), который поступает на третий вход

первого регистра 17 и на второй вход второго регистра 19. После такой перезаписи первый регистр 17 обнуляется. Время усреднения Т задается емкостью счетчика 14 числа измерений. Для достижения мини- мальной величины ошибки дискретности при измерении повторяющихся временных интервалов время усреднения Т должно быть кратно периоду псевдослучайной последовательности. Для обеспечения этого условия на вход счетчика 14 числа измерений подаются импульсы с выхода делителя 2 частоты. Время усреднения при этом определяется выражением

п N С

где п - коэффициент деления делителя 2 частоты;

N - число элементов ПСП;

f - частота задающего генератора 1;

С - число периодов ПСП, за которое проводится усреднение.

Число N-1 записывается в счетчик 14 числа измерений при его конструировании путем подачи на установочные входы перво- го каскада соответствующей комбинации логических нулей и единиц. Первый каскад счетчика 14 числа измерений переполняется после N импульсов, поступающих с выхода делителя 2 частоты. Импульс переполнения поступает на вход второго каскада счетчика и устанавливает его первый каскад в исходное состояние (фиг, 2а). Число С - 1, определяющее с каких разрядов первого регистра 17 снимать усреднен- ное значение кода, записывается в счетчик 14 числа измерений перед началом измерений и не меняется в процессе работы. Эта запись производится путем подачи на уста- довочные входы второго каскада соответст- вующей комбинации логических нулей и единиц. При этом второй каскад счетчика 14 числа измерений переполняется после С импульсов, поступающих с выхода его первого каскада. Импульс переполнения (фиг. Зв) обнуляет первый регистр 17 после записи его результатов во второй регистр 19 и устанавливает в исходное состояние второй каскад счетчика 14 числа измерений. Двоичный код, соотвеъствующий числу С-1, поступает на второй вход коммутатора 18.

В известном устройстве фаза счетной сетки меняется по линейному закону. Поэтому при измерении повторяющихся интер- валов времени стоповые импульсы, характеризующие концы измеряемых временных интервалов, могут быть когерентными с импульсами счетной сетки. Ошибка дискретности измерения временных интервалов при этом резко возрастает и определяется выражением

,

f- Тсч

где fen - частота следования счетных импульсов.

В предлагаемом устройстве фаза счетной сетки изменяется по псевдослучайному закону, поэтому когерентность начала и конца измеряемого временного интервала с импульсами мерной сетки исключается. За время усреднения Т ошибка дискретности измерения повторяющихся интервалов времени определяется выражением

/A I - J k i i

2 Тсч N где N - число элементов ПСП.

Следовательно, ошибка дискретности при измерении повторяющихся интервалов времени с медленно меняющейся длительностью в предлагаемом устройстве в N раз меньше, чем в известном при той же частоте следования счетных импульсов.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известным является изменение момента появления счетных импульсов по псевдослучайному закону, что позволяет существенно повысить точность при использовании этого устройства в измерителях дальности до удаляющегося объекта. Формула изобретения 1. Устройство для измерения повторяющихся интервалов времени, содержащее задающий генератор, делитель частоты, элемент И, счетчик результата, два тригера, счетчик числа измерений, формирователь счетных импульсов, выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, первый вход которого соединен с шиной, Стоп, выход элемента И соединен с входом счетчика результата, отличающееся тем, что. с целью повышения точности измерения, в него введены формирователь пилообразного напряжения, формирователь псевдослучайной последовательности, цифроаналоговый преобразователь, компаратор, генератор коротких импульсов, умножитель частоты, блок ус-, реднения, при этом выход задающего генератора соединен с входами формирователя пилообразного напряжения и делителя частоты, выход которого соединен с вторым входом второго триггера, вторым входом счетчика результата, входом счетчика числа измерений, с вторым входом блока усреднения и через последовательно соединенные

формирователь псевдослучайной последо- вательности и цифроаналоговый преобразователь с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом формирователя пилообразного напряжения, выход компаратора через последовательно соединенные генератор коротких импульсов и умножитель частоты соединен с входом формирователя счетных импульсов, шина Старт соединена с вторым входом первого триггера, выход которого соединен с первым входом второго триггера, выход которого соединен с третьим входом первого триггера, выход счетчика результата соединен с первым входом блока усреднения, третий вход которого соединен с первым выходом счетчика числа измерений, второй выход которого соединен с четвертым входом блока усреднения.

ft. 2

0

5

0

выход которого является выходом устройства.

:

см

ts -Ч

;

-I ii

: i::

i j

1 i 1

о

S