Устройство для цифрового измерения частоты Советский патент 1991 года по МПК G01R23/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в машиностроении для измерения, например, частот вращения валов турбин, тепловых и электродвигателей и т. д.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измеряемых частот.

На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства для цифрового измерения частоты; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 3-7 представлены функциональные схемы блоков, соответственно, управляемого одновибратора, логического ключа, генератора тока, пикового детектора, импульсного генератора опорной частоты; на фиг. 8 приведены временные диаграммы работы управляемого одновибратора.

Устройство для цифрового измерения частоты (фиг. 1) содержит входной формирователь 1,генератор 2 пилообразного напряжения, пиковый детектор 3, управляемый генератор 4. первый и второй триггеры 5, 6, ключ 7, импульсный генератор 8 опорной частоты, первую дифференцирующую цепь 9, компаратор 10, источник 11 опорного напряжения, делитель 12 напряжения, двух- позиционный переключатель 13, дешифратор 14, логический ключ 15, вторую дифференцирующую цепь 16, счетчик 17 импульсов, регистр 18 памяти, входную шину 19, выходную шину 20, шину 21 масштаба, соединенную с выходом источника 11 опорного напряжения, с выходом делителя 12 напряжения и с вторым входом компаратора 10тсоединенного своим первым входом с первым входом пикового детектора 3 и с выходом генератора 2 пилообразного напряжения, первый вход запуска которого соединен с первым динамическим S-входом установки первого триггера 5 и с выходом входного формирователя 1, вход которого соединен с входной шиной 19. Выход дешифратора 14 соединен с управляющим входом двухпозиционного переключателя 13. Компаратор 10 соединен своим выходом с вторым управляющим входом генератора 2 пилообразного напряжения и с первым входом импульсного генератора 8 опорной частоты, второй вход которого соединен с третьим входом управления режимом слежения пикового детектора 3, с вторыми управляющими входами регистра 18 памяти и логического ключа 15, а также с инвертирующим выходом первого триггера 5, второй R-вход сброса которого соединен с выходом дифференцирующей цепи 9. Неинвертирующий выход первого триггера 5 соединен с

первым установочным входом второго триггера бис входом дифференцирующей цепи 16, связанной своим выходом с вторым входом сброса счетчика 17 импульсов, первый

счетный вход которого соединен через ключ 7 с первым выходом импульсного генератора 8 опорной частоты, второй выход которого выполнен многоканальным и соединен через логический ключ 15 с цифровым мно0 гоканальным входом дешифратора 14 и с четвертым многоканальным управляющим входом генератора 2 пилообразного напряжения, соединенного своим третьим управляющим входом с выходом двухпози5 ционного переключателя 13, первый и второй информационные входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами делителя 12 напряжения. Выход пикового детектора 3 соединен с входом

0 управляемого генератора 4, соединенного своим выходом со счетным входом второго триггера 6, выход которого соединен с входом дифференцирующей цепи 9 и с управляющим входом ключа 7, выполненным

5 инверсным. Выход счетчика 17 импульсов соединен с первым цифровым информационным входом регистра 18 памяти, выход которого соединен с выходной шиной 20. Генератор 2 пилообразного напряже0 ния (фиг. 1) содержит генератор 22 тока с многоканальным управляющим входом, двухпозиционный переключатель 23, эталонный конденсатор 24, элемент И 25, элемент 26 задержки, преобразователь 27

5 кода, управляемый одновибратор 28, элемент ИЛИ 29,

Первый вход управляемого одновибратора 28 соединен с выходом элемента ИЛИ 29, первый и второй входы которого являют0 ся соответственно первым входом запуска и вторым входом генератора 2 пилообразного напряжения, третьим входом которого является первый информационный вход двухпозиционного переключателя 23, второй

5 информационный вход которого соединен с выходом генератора 22 тока, выходом генератора 2 пилообразного напряжения является первый вывод эталонного конденсатора 24, соединенный с выходом

0 двухпозиционного переключателя 23, соединенного своим управляющим входом с выходом элемента И 25, первый вход которого соединен с выходом управляемого одновибратора 28 и с входом элемента 26

5 задержки, соединенного своим выходом с вторым входом элемента И 25, второй многоканальный управляющий вход управляемого одновибратора 28 соединен с вторым выходом преобразователя 27 кода, первый выход которого соединен с управляющим

многоканальным входом генератора 22 тока, вход преобразователя 27 кода является четвертым многоканальным входом генератора 2 пилообразного напряжения, а второй вывод эталонного конденсатора 24 соединен с шиной нулевого потенциала.

Управляемый одновибратор 28 содержит (фиг. 3) ключи 30, 31, кодоуправляемое сопротивление 32, компаратор 33, источник опорных напряжений, D-триггер 35, генератор 36 логической Г, операционный усилитель 37, конденсатор 38

Неинвертирующий выход триггера 35 соединен с управляющим входом первого ключа 30 и является выходом управляемого одновибратора 28, первым входом которого является С-вход синхронизации триггера 35, инвертирующий выход которого соединен с управляющим входом второго ключа 31, соединенного своим информационным входом с выходом кодоуправляемого сопротивления 32, с первым выводом конденсатора 38 и с инвертирующим входом операционного усилителя 37,выход которого подключен к выходу второго ключа 31, к второму выводу конденсатора 38 и к первому входу компаратора 33, соединенного своими выходом и вторым входом соответственно с первым R-входом сброса триггера 35 и с первым выходом источника 34 опорных напряжений, второй выход которого соединен через первый ключ 30 с первым аналоговым входом кодоуправляемого сопротивления 32, цифровой управляющий вход которого является вторым многоканальным управляющим входом управляемого одновибратора 28, третий выход источника 34 опорных напряжений соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 37 и с шиной нулевого потенциала, а третий информационный D- вход триггера 35 соединен с выходом генератора 36 логической 1.

Генератор 22 тока содержит (фиг. 5) кодоуправляемое сопротивлениеЗЭ,первый и второй резисторы 40 и 41, транзистор 42, диод 43, соединенный своим катодом с вазой транзистора 42 и через резистор 41 - с шиной нулевого потенциала. Коллектор транзистора 42 является выходом генератора 22 тока, многоканальным управляющим входом которого является цифровой управляющий вход кодоуправляемого сопротивления 39, включенного между эмиттером транзистора 42 и выходом источника 44 питания, соединенным через резистор 40 с анодом диода 43.

Пиковый детектор 3 выполнен с возможностью управления режимом отслеживания (слежения) его входного напряжения

выходным и содержит (фиг. 6) конденсатор 45 и двунаправленный ключ 46, управляющий вход которого является входом управления режимом слежения пикового

детектора 3, первым информационным входом которого является вход ключа 46. выход которого соединен с первым выводом конденсатора 45 и является выходом пикового детектора 3, а второй вывод конденсатора

0 45 связан с шиной нулевого потенциала.

Импульсный генератор 8 опорной частоты содержит (фиг. 7) счетчик 47 импульсов, мультиплексор 48, генератор 49 импульсов, h делителей частоты импульсов 50-1450-h.

5Логический ключ 15 содержит (фиг. 4) I

элементов И 51-1f51-l, первые входы которых в совокупности образуют информационный многоканальный первый вход логического ключа 15, многоканальный выход

0 которого образуют в совокупности выходы элементов И 51-1451-1, вторые входы которых соединены вместе и образуют второй управляющий вход логического ключа 15.

В импульсном генераторе 8 опорной ча5 стоты (фиг. 7) первый счетный вход счетчика 47 импульсов является первым управляющим входом импульсного генератора 8 опорной частоты, вторым управляющим входом которого является второй вход уста0 новки в нулевое состояние счетчика 47 импульсов, многоканальный выход которого соединан с управляющим многоканальным входом мультиплексора 48 и является вторым многоканальным выходом импульсного

5 генератора 8 опорной частоты, первым выходом которого является выход мультиплексора 48, выход генератора 49 импульсов связан с первым информационным входом мультиплексора 48, остальные h информа0 ционных входов которого соединены с выходами соответствующих делителей 50-1г50 -hчастоты,соединенных в последовательную цепь, а вход первого делителя 50 -1 частоты соединен с выходом генерато5 ра 49 импульсов.

Устройство работает следующим образом

Импульсы Dig измеряемой частоты с входной шины 19 (фиг. 2а), поступая в мо0 мент времени ц на первый вход формирователя 1, вызывают появление импульса Ui (фиг. 26), который устанавливает первый триггер 5. Установившаяся логическая 1 на его прямом выходе через дифференци5 рующую цепь 16 сбрасывает счетчик 17 импульсов и поступает на первый установочный вход второго триггера 6. Так как первый вход второго триггера 6 выполнен инверсным, то появившаяся логическая 1 на его первом входе снимает условие его

принудительной установки в состояние логической 1, делая таким образом второй триггер 6 чувствительным к импульсам на его втором счетном входе, поступающим с выхода управляемого генератора 4, частота следования которых пропорциональна напряжению, поступающему на вход управляемого генератора 4 с выхода пикового детектора 3. Первый из импульсов генератора 4 после момента ti, снятия условия принудительной установки второго триггера б по его первому входу, в момент времени t2 приводит к установлению второго триггера

6в состояние логического О, а второй возвращает его в исходное состояние логической 1 в момент времени t4, при этом импульс Ug положительной полярности с выхода дифференцирующей цепи 9, поступая в момент времени IA на второй вход первого триггера 5, сбрасывает его в исходное состояние и установившийся на его неинвертирующем выходе уровень логического О принудительно удерживает выходной уровень второго триггера 6 в состоянии логической 1. Таким образом, на выходе второго триггера 6 формируется одиночный импульс уровня логического О, длительность которого равна одному периоду импульсной последовательности управляемого генератора 4, находящегося под управляющим воздействием напряжения, запомненного пиковым детектором 3, хранящим напряжение, достигнутое на выходе генератора 2 пилообразного напряжения к моменту времени ti.

Так как выход триггера 6 подключен к управляющему входу ключа 7, выполненному инверсным, то на время T2...t4 действия импульса второго триггера 6 ключ 7 замкнут и импульсы генератора 8 поступают на первый тактовый вход счетчика 17. Количество импульсов, прошедших на счетчик 17 импульсов за время t2...t4, образует код, который поступает на первый информационный вход регистра 18 памяти. По окончании импульса (в момент t4) второго триггера 6 ключ

7размыкается и кодовое состояние счетчика 17 импульсов сохраняется до появления очередного импульса измеряемой последовательности, поступающей на входную шину 19 устройства. Так как второй управляющий вход регистра 18 памяти соединен С инверсным выходом первого триггера 5, то на время действия ti...t4 импульса на его выходе регистр 18 памяти сохраняет состояние, предшествующее моменту ti, которое в моменты времени t2...t4 не зависит от изменяющегося кода, поступающего на его первый информационный вход. После установления на втором входе регистра 18 памяти уровня логической 1 на его выход, а следовательно, и на выходную шину 20, передается новый код счетчика 17, который установится на выходе этого счетчика после

окончания счета им импульса в последующие за t4 моменты времени. Кроме того, по окончании импульса первого триггера 5 импульсный генератор, который выполнен управляемым, сбрасывается в исходное

состояние, а на время действия этого импульса на выходах логического ключа 15 устанавливаются уровни логической 1 независимо от кодовой комбинации, поступающей на первый информационный вход

логического ключа 15 с второго выхода импульсного генератора 8. При этом дешифратор 14 для нулевого кода на его входе формирует сигнал управления, устанавливающий двухпозиционный переключатель

13 в исходное положение, при котором его выход скоммутирован с его первым входом, что приводит к установлению на третьем входе генератора 2 пилообразного напряжения уровня постоянного напряженияV 1,

поступающего с первого выхода делителя 12 напряжения, под действием которого формируется исходное напряжение Vi на выходе генератора 2 пилообразного напряжения в течение времени ti .дз (фиг. 2д).

После момента времени ta генератор 2 пилообразного напряжения формирует на своем выходе линейно изменяющееся напряжение, причем крутизна изменения этого напряжения S, уровень исходного

напряжения Vt и интервал времени r должны быть связаны соотношением

40

S - 5° Го

Через некоторое время, если импульсы U19 входной последовательности отсутствуют в некоторый момент ts, напряжение на выходе генератора 2 пилообразного напряжения

5 достигает уровня напряжения Uon источника 11 опорного напряжения, при этом компаратор 10 формирует на своем выходе сигнал, который, поступая на второй вход генератора 2 пилообразного напряжения,

0 приводит к установлению на выходе последнего напряжения, равного величине нового исходного уровня. Этот новый исходный уровень задается уровнем напряжения, поступающего на третий вход

5 генератора 2 пилообразного напряжения с выхода двухпозиционного переключателя 13, который будет скоммутирован со своим вторым входом, на который поступает напряжение V2 с второго выхода делителя 12 напряжения, превышающее половину

напряжения источника 11 опорного напряжения на величину Д V

V2

Don

+ AV

Новое состояние двухпозиционного переключателя 13 после срабатывания компаратора 10 будет вызвано тем, что на входе дешифратора 14 будет установлен код, от- личающийся от нулевого, так как импульс компаратора 10, поступая на первый вход импульсного генератора 8, переводит его в новое состояние, при котором код на выходе последнего увеличивается на единицу, а частота на его первом выходе уменьшается в два раза. Именно этот измененный код с второго выхода импульсного генератора 8 через логический ключ 15 поступает на вход дешифратора 14 и на четвертый вход гене- ратора 2 пилообразного напряжения, вызывая генерацию его выходного напряжения с новым значением крутизны в момент времени te, отстоящий от момента сра- батывэ.мя компаратора 10 на величину ri AV/Si, с уровня напряжения /2 - Uon/2+ AV, поступающего на третий вход генератора 2 пилообразного напряжения, Аналогично, если в последующие моменты времени импульсы Uig входной последо- вательности отсутствуют, при достижении линейно возрастающим напряжением генератора 2 пилообразного напряжения уровня Don источника 11 опорного напряжения происходит очередное срабатывание ком- паратора 10, приводящее к увеличению на единицу кода на втором выходе импульсного генератора 8, снижению в два раза частоты на его первом выходе, уменьшению крутизны линейно возрастающего напряже- ния генератора 2 пилообразного напряжения, формируемого с уровня V2 с задержкой относительно момента срабатывания компаратора, определяемой соотношением

г - AV , AV i - -Ј- . Ъ|Ь0

его инверсного выхода, поступающим на третий вход пикового детектора 3, переведет последний в режим хранения запомненного уровня входного сигнала..

Величину напряжения U2(ti), запомненного в пиковом детекторе 3 для моментов времени от ts до ts, можно определить как

U2(ti) - Vi + (ti-t3)S0.

Так как момент времени хз можно определить как

Vi t3- t1+ To t +-X1,

00

TO

U2(tih vi+ (t i-ti- - )S0- т -So,

Ьо

т. е. напряжение L)2(ti) пропорционально периоду Т следования импульсов на входе устройства с коэффициентом пропорциональности So, являющимся масштабным множителем исходного поддиапазона.

Для других поддиапазонов при напряжение U2 на выходе генератора 2 пилообразного напряжения в момент И прихода очередных импульсов входной последовательности можно определить следующим образом:

U2(t i)V2+(ti-tHi) Si,

где tui - момент времени начала 1-го поддиапазона, в период действия которого приходит очередной импульс входной последовательности; tHi может быть определен как

I1-1

tni ti+тъ + Дъ + Z TV+ZAtk,

k 1

k 1

где

.Atk uon

ok

Sk

Изобретение может быть использовано в быстродействующих измерителях частоты электрических сигналов. Устройство содержит входной формирователь 1, генератор 2 пилообразного напряжения, пиковый детектор 3, управляемый генератор 4, первый и второй триггеры 5, 6, ключ 7, первую дифференцирующую цепь 9. Введение дополнительно компаратора 10, дешифратора 14, двухпозиционного переключателя 13, счетчика 17 импульсов, регистра 18 памяти, второй дифференцирующей цепи 16, источника 11 опорного напряжения, делителя 12 напряжения, логического ключа 15 и шины 21 масштаба позволяет повысить точность и расширить диапазон измеряемых частот. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

где I - количество срабатываний компаратора (код на втором выходе генератора 8).

Таким образом, в момент времени t i появления очередного импульса UIQ входной последовательности (фиг. 2а), отстоящего от момента ti начала предыдущего импульса на величину T ti-ti, напряжение генератора пилообразного напряжения U2(t i) будет зафиксировано в пиковом детекторе 3, так как в этот момент первый триггер 5 будет взведен и сигналом со сво

Don -Uon/2 -AV 2

определяется как

Uon

-AV

Sk

яется как

Sk

определяется как

-k

Учитывая, что 2 , величина

мм определяется как

i AY (21-1), k 1°о k 1io

k«1

Uon/2-ДУ . y jk

Uon/2-AV

(2-2).

Подставляя эти выражения в выражения для tHi. имеем

tHl.t1+Upu+U|L(2-2) +

JOi. Оо

(2-)-2 +2

+

U

on

-i.uAY.oi

Подставляя т.н1 в выражение для U2(ti) и учитывая, что

V2- у1 + А V и Si Se-24 для U2(ti), получаем

U2(ti) + Д V + (ti-ti)

- (ti-ti)Si.

Так как интервал Т между импульсами входной последовательности определяется как T ti-ti, то

U2(ti)T -So -2H,

т. е. напряжение U2 на выходе генератора 2 пилообразного напряжения в момент времени ti прихода очередного импульса измеряемой послеловятрпкности пропорционально периоду Т с коэффициентом масштаба Si So 2, при этом i - номер поддиапазона, он определяет и частоту РЙ импульсного генератора 8 (фиг. 2с)

F8-F0-2H.

Напряжение (ti) с выхода пикового детектора 3, поступая на вход управляемого генератора 4 задает его частоту

F,i а -Уз,

где а.- коэффициент пропорциональности. В течение времени импульса второю триггера длительностью, равной одному периоду Ти импульсной последовательности управляе мого генератора 4, через ключ 7 H;I их од пкм чика 17 импутьсор пройдет n импульсов

n Ти Fe

FO

2 -Уз

Fp-2

Гр

T-S,-2- « So

тBX

- постоянный коэффициент.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

На выходе счетчика 17 импульсов после момента tn{t4) будет сформирован код, пропорциональный частоте FBx входной последовательности.

Формула изобретения 1. Устройство для цифрового измерения частоты по авт. св. № 930144, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измеряемых частот, в него введены компаратор, дешифратор, двухпозиционный переключатель, счетчик импульсов, регистр памяти, вторая дифференцирующая цепь, источник опорного напряжения, делитель напряжения, логический ключ и шина масштаба, многоканальный выход импульсного генератора опорной частоты соединен с многоканальным информационным входом логического ключа, выход которого соединен с входом дешифратора и с четвертым многоканальным входом генератора пилообразного напряжения, второй управляющий вход которого соединен с первым управляющим входом импульсного генератора опорной частоты и с выходом компаратора,первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, второй вход компаратор подключен к выходу источника опорного напряжения шине масштаба и к входу делителя напряжения, первый и второй входи которого соединены соответственно с перзым нормально замкнутым и вторым нормально разомкнутым входами двухпозиционного переключателя, выход и третий управляющий вход которого соответственно соединены с третьим управляющим входом генератора пилообразного напряжения и с выходом дешифратора, второй управляющий вход импульсного генератора опорной частоты соединен с входом управления режимом слежения пикового детектора, с вторыми управляющими входами регистра памяти и логического ключа, а также с инвертирующим выходом первого триггера, неинвертирующий выход которого соединен с входом второй дифференцирующей цепи, выход которой подключен к второму входу сброса счетчика импульсов, первый тактовый вход и многоканальный

выход которого соединены соответственно с выходом ключа и с первым многоканальным информационным входом регистра памяти, выход которого соединен с выходной шиной устройства.

0 формационным входом мультиплексора, остальные h информационных входов которого соединены с выходами соответствующих делителей частоты, соединенных последовательно, а вход первого делителя

5 частоты соединен с выходом генератора импульсов.

5 ключа и является выходом управляемого од- новибратора, первым входом которого является С-вход синхронизации триггера, инвертирующий выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, ин0 формационный вход которого соединен с выходом кодоуправляемого сопротивления, с первым выводом конденсатора и с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с выходом

5 второго ключа, с вторые выводом конденсатора и с первым входом компаратора, выход и второй вход которого соответственно соединены с первым R-входом сброса тоиггера и с первым выходом источника опорных на0 пряжений, второй выход которого соединен через первый ключ с первым аналоговым входом кодоуправляемого сопротивления, цифровой управляющий вход которого является вторым многоканальным управляю5 щим входом управляемого однов брагора, третий выход источника опорных напряжений соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и с шиной нулевого потенциала, а третий информационный

0 D-вход триггера соединен с выходом генератора логической 1.

U19

и

toix

.U Вых

UtB

Вых

ti ..I

A

I I I III

I

л/

i/H

U6

ь

I-I

iJI

/7

вых.

eJ

Ґ

I

я

ч

/7

L

,/|X

/s

i i

I r i i I

I

П

11

4

f

V

I I I I I I I I

i

в

III

/IxN « /;ti 4

to./

flb.J

Wt&4

м

w

гг

Эе

M

фиг.5

игв ,

AWЈ/I IN

/J7

вых

Фиг. 7

1

j вых

«,Ln

А/ |I

рямЗьа.

1

П

1

П

/ 1 t3

/ г / 5 Ь t7 te

Фиг. 8

фиг. 6

Фиг. 7

1

Л

А

i

1

1

П

П

« И