Цифровое измерительное устройство для обработки сигналов частотных датчиков Советский патент 1991 года по МПК G01R23/00 H03K3/02 

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для линеаризации характеристик измерительных трактов вибрационно-частотных датчиков, имеющих функцию преобразования вида

у аТх2 + btx + с,(1)

где у - измеряемая физическая величина;

tx - текущее значение периода электрических колебаний на выходе датчика;

а, Ь, с - градуировочные константы датчика.

Целью изобретения является повышение точности, что достигается за счет повышения точности линеаризации при компенсации дестабилизирующих факторов известными приемами.

На фиг. 1. 2 представлены графики, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 - схема устройства; на фиг. 4 - диаграммы, поясняющие работу устройства.

Выражение (1) может быть приведено к следующему виду (фиг. 1, 2):

yi axi

(2)

о ел ю

00

ч

где

У1 У 4ас - Ь2 4а

XI

(-Ј)

Для реализации выражения (2) цифровым устройством оно представляется уравнением следующего вида:

myi

(fo М)2 (fo М Х1)2

где т 10 - масштабирующий коэффициент;

fo 10h+1 - образцовая частота;

- количество квантуемых периодов;

I - показатель степени, обеспечивающий требуемый масштаб представления результата преобразования;

h - число используемых десятичных разрядов представления результата;

g - число разрядов счетчика периодов.

Значения I, h, g выбираются из натурального ряда чисел. Обозначив

z-enttmyil х ent foMxi (-Мд);

NA ent

foMb 2a

1.

где ent - оператор выделения целой части числа, находящегося в скобках, получим целочисленное представление канонического уравнения параболы в следующем виде: 2pz x2,

где р ent

2ma

(3) - целочисленный параметр (расстояние от фокуса до директрисы параболы).

Алгоритм, воспроизводящий траекторию параболы, можно записать в форме следующих рекуррентных соотношений:

Si-1-p

Si+1-IS +2х|+3 I Si+2xi+3-2p,

если Si 0. выполнить Vi

если Si 2Ю, выполнить V2, (4) где Sj - значение вспомогательной функции для определения направления при выполнении первого шага;

р- целочисленный параметр параболы;

SH-I, Si - значения вспомогательной функции на текущем и предыдущем шагах;

х| - дискретное текущее значение аргу- мента параболы;

Vi - вектор, определяющий перемещение на один шаг вдоль оси X : (Х| + 1):

Va - вектор,, определяющий диагональное перемещение при выполнении единичных шагов вдоль осей х и г одновременно (Xi-H,zi + 1).

Выбор в качестве элементарных шагов векторов Vi и V2 налагает некоторые ограничения на крутизну воспроизводимого участка параболы. Наибольшая крутизна в этом случае не может превысить крутизну вектора V2, угол наклона которого оси х составля- ет 45°, а угловой коэффициент не должен превышать единицу (tg 45°),

1 z ,

откуда о х р

0 Таким образом выражение (4) сохраняет работоспособность при нахождении параболы в пределах 1-го октанта системы координат x-z, при изменении аргумента xi в интервале 0, р. Случаи выхода параболы

5 (3), обращенной выпуклостью вниз (то есть при ), за пределы 1-го октанта могут быть сведены к рассмотренному выражению растяжкой масштаба по оси х.

Устройство содержит входной форми0 рователь 1, формирователь 2 измерительного интервала. состоящий из двоично-десятичного счетчика 3 периодов с шиной 4 предварительной установки кода, одновибратора 5, блока 6 выделения задне5 го фронта импульса измерительного интеп- вала.Т-триггера 7, трехвходового элемента 8 совпадения, SR-триггера 9, блока 10 выделения переднего фронта импульса измерительного интервала, элемента ИЛИ 11,

0 вычитающего двоично-десятичного счетчика 12 с шиной 13 предварительной установки кода, двухвходового элемента 14 совпадения и кварцевого генератора 15, счетчик 16 нечетных чисел, шину 17 установ5 ки в единичное состояние, регистр 18 памяти с шиной 19 предварительной установки кода, комбинационный сумматор 20, накапливающий сумматор, состоящий из комбинационного сумматора 21 и регистра 22

0 памяти со знаковым разрядом 23 и шиной 24 предварительной установки кода, элемент 25 совпадения, двоично-десятичный счетчик 26 результата с шиной 27 предварительной установки кода и блок 28 цифровой

5 индикации.

Устройство содержит последовательно соединенные входной формирователь 1, вход которого является входом подключения частотного датчика, формирователь 2

0 измерительного интервала и счетчик 16 нечетных чисел, установочный вход младшего разряда которого соединен с шиной 17 установки в единичное состояние, кодовые выходы счетчика 16 нечетных чисел соеди5 нены с кодовыми входами слагаемого комбинационного сумматора 20, вход младшего разряда слагаемого сумматора 20 подключен к шине 17 установки в единичное состояние, кодовые входы другого слагаемого сумматора 20 соединены с кодовыми выходами регистра 18 памяти, кодовые входы которого соединены с шиной 19 предварительной установки кода, выход суммы сумматора 20 связан с входами первого слагаемого сумматора 21, выход суммы сумматора 21 связан с кодовыми входами регистра 22 памяти, кодовые выходы регистра 22 памйти соединены с входами второго слагаемого сумматора 21, кодовые входы регистра 22 памяти подключены к шине 24 предварительной установки кода, инверсный выход знакового разряда 23 регистра 22 соединен с входом элемента 25 совпадения и входом управления выдачей информа- ции из регистра 18 памяти, выход элемента

25совпадения подключен к входу счетчика

26результата, кодовые входы которого соединены с шиной 27 предварительной установки кода, а кодовые выходы - с кодовыми входами блока 28 цифровой индикации, вход счетчика 16 нечетных чисел соединен

с вторым входом элемента 25 совпадения, второй выход формирователя 2 измерительного интервала соединен с входами управ- ления предварительной установкой счетчика 16 нечетных чисел, регистров 18, 22 памяти и счетчика 26 результата.

Формирователь 2 измерительного интервала содержит последовательно соеди- ненные счетчик 3 периодов, вход которого является входом формирователя измерительного интервала и соединен с выходом входного формирователя 1, Т-триггер 7. двухвходовый элемент 14 совпадения, вы- читающий счетчик 12, элемент ИЛИ 11, SR- триггер 9 и трехвходовый элемент 8 совпадения, кодовые входы счетчика 3 периодов и вычитающего счетчика 12 соедине- ны соответственно с шинами 4 и 13 предварительной установки кода, выход кварцевого генератора 15 соединен с первым входом двух- и третьим входом трехвхо- дового элементов 8, 14 совпадения соответственно, выход Т-триггера 7 соеди- нен с первым входом трехвходового элемента 8 совпадения, с входом блока 10 выделения переднего фронта импульса измерительного интервала, выходом подключенного к установочному входу SR-триггера 9, с входом блока 6 выделения заднего фронта импульса измерительного интервала, выход Которого соединен с входом одно- вибратора 5. выход которого соединен с входом сброса Т-триггера 7, входом элемен- та ИЛИ 11 и входами установки исходных состояний счетчиков 3 и 12, а также является вторым выходом формирователя 2 измерительного интервала.

Устройство работает следующим образом.

Линеаризации предшествует установка на кодовых входах счетчика 3 периодов, вычитающего счетчика 12. регистров 18 и 22 памяти и счетчика 26 результата с помощью шин 4.13, 19,24 и 27 предварительной установки кода соответственно кодов констант выражения (4):

M-1 1o4;NA ent :

2а -1:1 -р 1

2ma

)b

ZA em входах младших разрядов счетчика 16 нечетных чисел и первого слагаемого сумматора 20 с помощью шины 17 устанавливается потенциал логической 1 (лог. 1). Цикл линеаризации начинается с появления на первом выходе формирователя 2 измерительного интервала импульса Сброс, устанавливающего в исходные состояния все блоки устройства. Этот импульс вырабатывается на выходе одновибратора 5 при включении источника питания, а также в начале каждого нового цикла линеаризации. Импульс Сброс записывает код максимально возможного числа М-1 10-1, подготовленный на шине 4, предварительной установки кода в счетчик 3 периодов.

код числа NA - 1 ent °2a - 1 .

подготовленный на установочной шине 13, в вычитающий счетчик 12, обнуляет Т- и SR-триггеры 7 и 9 соответственно, записывает единицу, подготовленную на шине 17, в младший разряд счетчика 16 нечетных чисел, остальные разряды которого сбрасываются в ноль, записывает код числа

ог (fo М2) ,

- 2 em - лL . подготовленный на

11 Id

шине 19 предварительной установки кода в регистр 18 памяти, записывает код числа

,,r(foM2),

1 - р 1 - ent -Ц;1 , подготовленный

на шине 24 предварительной установки кода, в регистр 22 памяти, а также код числа

-ZA ent m (Ь 4 4ас) в счетчик 26 результата. Эти процедуры соответствуют установке начала шкалы устройства, то есть расположению его в точке А (фиг. 1).

Далее измеряемый сигнал с периодом Тх (фиг. 4), подаваемый на входной формирователь 1, преобразуется в нем в прямоугольные импульсы с периодом следования Тх(фиг. 4, вых. бл. 1), которые затем поступают на вход счетчика 3 периодов, являющийся входом формирователя 2 измерительного интервала. Первый же импульс, пришедший на вход счетчика 3 периодов с выхода входного формирователя 1 после окончания действия импульса Сброс (фиг. 4, вых. бл. 1. вых. бл. 5), переполнит счетчик 3 периодов, а импульс переполнения своим передним фронтом установит Т-триггер 7 в единичное состояние (фиг. 4. вых.бл. 7). Т- триггер 7 в единичном состоянии находится до тех пор, пока счетчик 3 периодов не сосчитает периодов измеряемого сигнала Тх, последний из которых (М-й) переключит Т-триггер 7 в нулевое состояние. В итоге на единичном выходе Т-тригге- ра 7 будет сформирован импульс измерительного интервала длительностью Т МТх. От переднего фронта импульса измерительного интервала срабатывает элемент 10 выделения переднего фронта (фиг.4, вых.бл. 10), устанавливающий инверсное плечо SR-триггера 9 в нулевое состояние (фиг. 4, вых.бл. 9). Одновременное этим измерительный интервал на время своего действия разрешает прохождение импульсов образцовой частоты foOT кварцевого генератора 15 через элемент 14 совпадения на вход вычитающего счетчика 12 (фиг. 4, вых.бл. 15). в котором записан код ent - 1 .Импульс

переполнения (NA-Й) вычитающего счетчика 12, возникающий после досчета до нуля, пройдя через элемент ИЛИ 11, переведет инверсное плечо SR-триггера 9 в первоначальное единичное состояние.

В итоге на инверсном плече SR-триггера 9 будет сформирован временной интерТд -к-, который далее (фиг. 4, вх.бл.

вал

9) вычитается из измерительного интервала (фиг. 4, вх.бл. 7) с помощью элемента 8 совпадения, а разность ДТ Т-Тд

М (Тх )(фиг.6, вых.бл. 8 при )

заполняется импульсами образцовой частоты fo, образуемой кварцевым генератором 15. Таким образом, на выходе элемента 8 совпадения формируется пачка импульсов

х| в количестве xr foM (Тх - j-) (фиг. 4,

вых.бл. 8), которая поступает на вход счетчика 16 нечетных чисел, вход записи информации в регистр 22 памяти и вход элемента совпадения 25. К моменту поступления пер- вого импульса на вход счетчика 16 нечетных чисел в нем, как уже отмечалось выше, записана единица. Счетчик 16 имеет на один разряд меньше, чем сумматоры 20, 21 и регистры 18 и 22 памяти, содержащие по п разрядов. Сумматоры 20, 21 являются сумматорами, работающими в дополнительных кодах. При этом положительные числа коди5 руются нулем в знаковом разряде, а отрица- тельные и ноль-единицей, В целях обеспечения простоты реализации сумматоры 20 и 21, а также относящиеся к ним регистры 18 и 22 памяти целесообразно вы0 полнить работающими в двоичных кодах. Кодовые входы п-1 разрядов счетчика 16 подключены к п-1 старшим разрядам кодовых входов первого слагаемого сумматора 20, на первый (младший) разряд которого от

5 кодовой шины 17 подан потенциал логической 1 (лог. 1). Благодаря такому включению на вход первого слагаемого сумматора 20 подаются нечетные числа, определяемые выражением 3, где . Перед по0 ступлением первого импульса, то есть когда в регистре 22, являющемся регистром хранения текущего значения вспомогательной функции Si, содержится ее начальное значение , равное отрицательному числу

5 (поскольку ), вследствие чего на инверсном выходе знакового разряда 23 регистра 22 будем иметь логический О, запирающий элемент 25 совпадения на входе счетчика 26 результата и вход разрешения выдачи ин0 формации из регистра 18. что соответствует подаче на вход второго слагаемго сумматора 20 нулевого числа. В итоге на выходе сумматора 20 появляется двоичный код числа 3 (000...011)2, алгебраически суммируе5 мый с отрицательным числом . после чего на выходе сумматора 21 образуется новое значение вспомогательной функции . которое затем после поступления первого импульса на вход записи ин0 формации регистра 22 переписывается в этот регистр. Таким образом, если Si, 0, вычисления будут выполняться по первой ветви выражения (4) Si-n Si+2xi+3 (фиг. 3, блоки 6, 7). Как только Si с станет равным

5 нулю или положительным числом (то есть если St 0), на инверсном выходе знакового разряда 23 регистра 22 появится логическая 1. которая откроет элемент 25 совпадения на входе счетчика 26 результата, а также

0 вход разрешения выдачи информации из регистра 18, что приводит к подаче второго слагаемого (2р) на вход сумматора 20. В Этом случае вычисления будут выполняться по второй ветви выражения (4)

5 ShH-Si+2x +3-2p).

Пока Si SO, элемент 25 совпадения остается открытым и импульсы xi поступают на

вход счетчика 26 результата. Таким образом, к концу измерительного интервала

ЛТ М (Тх - у-) на вход счетчика 26 результата поступит некоторое дозированное в со- ответствии с выражением (4) количество

импульсов г . Эти импульсы,

сложившись с дополнительным кодом числа

гт(4ас-Ь2),

ZA ent - -g-L , ранее установленным в счетчике 26 результата, образуют ре- зультат преобразования Z ZI-ZA относительно оси Т (фиг. 1). Ассоциируя счетчик 16 нечетных чисел с х-регистром (ось X), а счетчик 26 результата - с z-регист- ром (ось z), можно заключить, что при реализации выражения (4) из начала системы координат x-z (точка А) строится траектория правой ветви параболы (3) путем выполне- ния элементарных шагов, определяемых единичными векторами Vi(xi+1) и Va(xi+ 1; zi+1). В конечном итоге результат преобразования, находящийся в счетчике 26 результата, поступает для отображения в блок 28 цифровой индикации.

Следующий цикл линеаризации начинается появлением очередного импульса Сброс, вырабатываемого на выходе одно- вибратора 5 (фит. 4, вых.бл. 5), запускающе- гося блс.ом 6 выделения заднего фронта импульса измерительного интервала (фиг. 4, вых.бл. 6).

Высокая точность предлагаемого устройства, обусловленная тем, что абсолют- ная погрешность преобразования (1) не превышает ±0,5 единицы шага разрядности входной информации, позволяет расширить группу используемых для совместной работы частотных датчиков вибрационно- частотными датчиками с электромеханическими колебательными системами (применяемыми, например, при измерении плотностей жидкостей и газов), требующими устройств линеаризации повышенной точности.

Формула изобретения

1. Цифровое измерительное устройство для обработки сигналов частотных датчиков, содержащее последовательно соединенные входной формирователь измерительного интервала и счетчик нечетных чисел, последовательно соединенные элемент совпадения, счетчик результата и блок индикации, а также шину установки в единичное состояние, соединенную с уста- .новочным входом младшего разряда счетчика нечетных чисел, причем кодовые входы счетчика результата соединены с первой установочной шиной, а вход входного формирователя соединен с входом устройства, о т- личающееся тем, что. с целью повышения точности, в него введены вторая и третья установочные шины, первый и второй комбинационные сумматоры, первый регистр памяти, второй регистр памяти, кодовые входы которого соединены с третьей установочной шиной и выходом второго комбинационного сумматора, инверсный выход знакового разряда соединен с первым входом элемента совпадения и входом первого регистра памяти, а кодовый выход соединен с вторым входом второго комбинационного сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого комбинационного сумматора, вход младшего разряда последнего соединен с шиной установки в единичное состояние, второй вход соединен с выходом счетчика нечетных чисел, а первый вход - с выходом первого регистра памяти, кодовый вход которого соединен с второй установочной шиной, а вход сброса соединен с вторым выходом формирователя измерительного интервала и входом сброса счетчика нечетных чисел, второго регистра памяти и счетчика результата, причем второй вход элемента совпадения соединен с первым выходом формирователя измерительного интервала и входом счетчика нечетных чисел.

2 Устройство поп 1,отличающее- с я тем, что формирователь измерительного интервала выполнен в виде первой и второй шин предварительной установки кода, счетчика периодов, Т-триггера, первого элемента И. блока выделения переднего фронта измерительного интервала SR-триггера, последовательно соединенных кварцевого генератора, второго элемента И, вычитающего счетчика и элемента ИЛИ, а также последовательно соединенных блока выделения заднего фронта измерительного интервала и одновибратора, выход которого соединен с вторым выходом формирователя измерительного интервала, с вторым входом элемента ИЛИ и входами сброса Т-триггера, вычитающего счетчика и счетчика периодов, вход которого соединен с входом формирователя измерительного интервала, кодовый вход соединен с первой шиной предварительной установки кода, а выход - с входом Т-триггера, выход которого соединен с входом блока выделения заднего фронта измерительного интервала, вторым входом второго элемента И, первым входом первого элемента И и входом блока выделения переднего фронта измерительного интервала,выход которого соединен с S-вхо- дом SR-триггера, R-вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ. а выход - с вторым входом первого элемента И, третий

вого генератора, а выход соединен выходом формирователя измери интервала, причем кодовый вход щего счетчика соединен с второ

йход которого соединен с выходом кварце- 5 предварительной установки кода.

вого генератора, а выход соединен с первым выходом формирователя измерительного интервала, причем кодовый вход вычитающего счетчика соединен с второй шиной

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для линеаризации характеристик измерительных трактов вибрационно-частотных датчиков. Цель изобретения - повышение точности - достигается за счет уменьшения погрешности линеаризации характеристик измерительного тракта. Устройство содержит входной формирователь 1, формирователь 2 измерительного интервала, счетчик 16 нечетных чисел, шину 17 установки в единичное состояние, регистры 18 и 22 памяти, шины 19, 24 и 27 предварительной установки кода, комбинационные сумматоры 20 и 21, схему 25 совпадения, счетчик 26 результата, блок 28 цифровой индикации. Формирователь 2 измерительного интервала содержит счетчик 3 периодов, шины 4 и 13 предварительной установки кода, одновиб- ратор 5. блоки 6 и 10 выделения заднего и переднего фронтов измерительного интервала соответственно, Т-триггер 7, элементы 8 и 14 совпадения, SR-триггер 9, элемент ИЛИ 11, вычитающий счетчик 12, кварцевый генератор 15. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. СО с

И хЈ Xi+1

Фиг.1

фиг. 2

I

№0i-3n

6

.

V

27 Q -ZA

Й,J9Јb-(

18

/

N/

7

lM&S, 1 l

У///////////////1,

ЙТх

Цим линеаризации

А

VWVWWV

V

0123

/

ВшМз

„С5рос

Вых.$л 7

Вых. 5л. 10

Я

Вых. 5/1.9

1

J

IMS. МкНы...М/Л

ВыхМ8 при/о 1

Вых.бп.Ь

Вых. 5л. 6

N

V

/у

.Тх

J

AT-Hfa-fij

Xi &T-fo

Я

Фиг Л