Цифровой частотомер непрерывного действия Советский патент 1991 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для непрерывного определения частоты с повышенной точностью.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Цифровой частотомер непрерывного действия содержит формирователь 1 импульсов, триггер 2, цифровую линию 3 задержки (ЦЛЗ), генератора 4 опорной частоты, формирователь 5 импульсов, элемент И 6, формирователь 7 импульсов, элемент И 8, ЦЛЗ 9, формирователь 10 импульсов, реверсивные счетчики 11 и 12 импульсов, формирователь 13 логического нуля, блок 14 элементов НЕ, комбинационный сумматор 15 и накапливающий сумматор 16.

Вход формирователя 1 импульсов является входом цифрового частотомера, а выход подключен к входу установки единицы триггера 2, выход которого соединен с первым входом элемента И 6. Второй вход элемента И 6 соединен с прямым выходом генератора 4 опорной частоты, а выход через формирователь 5 импульсов объединен с входом сброса (установки нуля) триггера 2, суммирующим входом реверсивного счетчика 12 импульсов и информационным входом цифровой линии 3 задержки, синхронизирующий вход которой соединен с инверсным выходом генератора 4 опорной частоты.

Выходы накапливающего сумматора 16 являются выходом устройства, вход синхронизации соединен с выходом формирователя 10 импульсов, а информационные входы подключены к выходам комбинационного сумматора 15. Вход младшего разряда и входы старших разрядов первой группы входов комбинационного сумматора 15 соесл

с

о ю

00 00

ы

динены через блок 14 элементов НЕ соответственно с выходом формирователя 13 логического нуля и выходами реверсивного счетчика 11 импульсов. Входы второй группы входов комбинационного сумматора 15 подключены к выходам реверсивного счетчика 12 импульсов, вычитающий вход которого объединен с вычитающим входом реверсивного счетчика 11 импульсов и выходом цифровой линии 9 задержки. Синхро- низирующий вход ЦЛЗ 9 подключен к инверсному выходу генератора 4 опорной частоты и входу формирователя 10 импульсов, а информационный вход соединен с выходом формирователя 7 импульсов, вход которого подключен к выходу цифровой линии 3 задержки и первому входу элемента И 8. Второй вход элемента И 8 соединен с прямым выходом генератора 4 опорной частоты, а выход подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 11 импульсов.

Цифровой частотомер непрерывного действия работает следующим образом.

Формирователь 1 вырабатывает импульсы, соответствующие границам перио- дов Тх частоты fx (фиг.2а), которые переводят в единичное состояние триггер 2 (фиг.26). На входы элемента И 6 одновременно подаются сигнал логического состояния триггера 2 (фиг.26) и импульсы с прямого выхода генератора 4 опорной частоты (фиг,2в). В момент совпадения логических единиц на входах элемента И 6 он переводится по выходу в состояние логической единицы, запуская тем самым формиро- ватель 5 импульсов (фиг.2д). Формирователь 5 вырабатывает импульс длительности, немного превышающей половину периода опорной частоты (фиг. 2 д и г) Этим импульсом осуществляются: перевод триггера 2 в нулевое состояние (фиг.2б); увеличение числа, содержащегося в реверсивном счетчике 12, на единицу; запись логической единицы в первую ячейку цифровой линии 3 задержки за счет того, что работа последней такти- руется импульсами инверсного выхода генератора 4 (фиг.2г), а при поступлении их синхронизирующего фронта импульс формирователя 5 еще не достигает своего среза (фиг.2д). Логические единицы, соответству- ющие импульсам частоты fx, перемещаются в ячейках ЦЛЗ 3 и 9 под действием импульсов с инверсного выхода генератора 4, подаваемых на их синхронизирующие входы, Суммарное время задержки в обеих цифро- вых линиях равно Т3ад. Логическая единица, появившаяся на выходе ЦЛЗ 3 (фиг.2е), запускает формирователь 7, вырабатывающий импульс длительности, немного большей периода Топ опорной частоты

(фиг.2ж). Так как данный импульс не достигает своего среза при поступлении фронта синхронизирующего импульса, то логическая единица записывается в первую ячейку цифровой линии 9 задержки (фиг.2з) и далее продвигается в ее ячейках к выходу (фиг.2и). При этом реверсивный счетчик 12 определяет количество логических единиц (фиг.2к), находящихся в ЦЛЗ 3 и 9, как разницу между количеством поступивших на вход ЦЛЗ 3 и количеством появившихся на выходе ЦЛЗ 9 импульсов уровня логической единицы. Аналогичным образом работает реверсивный счетчик 11, определяющий количество логических единиц, находящихся в ЦЛЗ 9 (фиг.2л).

Увеличение на единицу содержимого реверсивного счетчика 11, как и у счетчика 12 происходит по фронту импульсов прямого выхода генератора 4, так как элемент И 8, выход которого подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика 11, переходит в состояние логической единицы при совпадении импульса на прямом выходе генератора 4 и логической единицы на выходе ЦЛЗ 3. Уменьшение содержимого реверсивных счетчиков 11 и 12 на единицу происходит по срезу импульсов с прямого выхода или по фронту - с инверсного выхода генератора 4. Вследствие описанной организации работы реверсивных счетчика 11 и 12 исключено возникновение сбойных ситуаций. Путем использования выхода формирователя 13 логического нуля в качестве младшего разряда кода на выходах реверсивного счетчика 11 осуществляется умножение его реального значения на 2 сдвигом на 1 разряд. Умноженный на 2 код реверсивного счетчика 11 инвертируется в блоке 14 элементов НЕ и поступает на входы первой группы (входы первого слагаемого) комбинационного сумматора 15, на входы второй группы которого подается код с выходов реверсивного счетчика 12. Таким образом, комбинационным сумматором 15 непрерывно определяется разность между числом, содержащимся в реверсивном счетчике 12,и удвоенным числом, содержащимся в реверсивном счетчике 11. Получаемая разность подается на информационные входы накапливающего сумматора 16, представляющего собой цифровой интегратор. Работа его синхронизируется импульсами формирователя 10, который вырабатывает короткие импульсы уровня логического нуля после каждого фронта импульсов инверсного выхода генератора 4, Таким образом, возникающая на выходах комбинационного сумматора 15 разность чисел, которая может принимать положительные или отрицательные значения, суммируется с накопленным ранее в накапливающем сумматоре 16 числом после того, как осуществлены переключения реверсивных счетчиков 11 и 12, связанные с необходимыми в данном периоде Топ увеличениями и уменьшениями на единицу их содержимого. Цифровой код, считываемый с накапливающего сумматора 16(фиг.2м), представляет собой результирующий отсчет N, формируемый в каждом периоде опорной частоты Т0п. При этом выбором цифровой линии задержки с большим количеством ячеек и современной быстродействующей элементной базы обеспечивается практически непрерывное формирование отсчета N при высокой точности задаваемой задержки.

Работа цифрового частотомера непрерывного действия организована таким образом, что , резул ьтирующий отсчет численно равен среднему значению частоты fx за интервал времени Тззд, оконченный в момент снятия отсчета. Предполагается, что на интервале Тзад воспроизводится треугольная весовая функция (ВФ) (фиг.За), а результат N представляет собой сумму значений ВФ (фиг.Зв), взятых в моменты поступления импульсов частоты fx (фиг,36).

Отметим, что весовое усреднение использовалось ранее только в частотомерах циклического типа, вырабатывающих очередной выходной отсчет через интервал времени измерения Ти, равный интервалу усреднения Тзад. В предлагаемом цифровом частотомере скользящее усреднение в соответствии с ВФ (фиг.За) реализуется в цифровом виде и основывается на продвижении логических единиц, соответствующих границам периодов Тх, в ЦЛЗ 3 и 9 с общим временем задержки Ти Т3ад (фиг.36, в пунктиром). При этом блоки 10-16 используются для формирования отсчета N в соответствии с ВФ (фиг.За), т.е. для определения суммы значений ВФ, соответствующих импульсам частоты f x в виде логических единиц.

Так как тоеугольная ВФ (фиг.За) реализуется в цифровом виде, то является очевидным, что при продвижений логических единиц по ЦЛЗ 3 и 9 сумма значений ВФ увеличивается настолько, сколько логических единиц продвинулось в левой чгсти ВФ (приращение для каждой из них равно 1) и уменьшится настолько, сколько логических единиц продвинулось в правой части ВФ (приращение для каждой из них рано 1). В схеме на фиг.1 продвижение в левой части ВФ происходит в ЦЛЗ 3, в правой части - в ЦЛЗ 9. Реверсивный счетчик 12 определяет количество логических единиц в обоих линиях задержки, а реверсивный счетчик 11-. только в ЦЛЗ 9 (убывающая часть ВФ). Разность, определяемая комбинационным сумматором 15 и накапливаемая сумматором

16, имеет следующий смысл: в предыдущий отсчет N, содержащийся в накапливающем сумматоре 16. вводится поправка, соответствующая новому положению логических единиц при окончании нового периода Топ,

а именно приращение на 1 для каждой логической единицы обоих линий задержки (фиг.З г, пунктиром) и приращение на 2 для каждой логической единицы цифровой линии 9 задержки. Приращение на -2 организуется умножением содержимого реверсивного счетчика 11 на 2 (блок 13) и инверсией кода блока 14 элементов НЕ. Таким образом, реализуется приращение для логических единиц возрастающей половины ВФ на 1, а для логических единиц убывающей половины ВФ - на -1, т.е. по треугольному закону (фиг.Зг).

Рассмотрим функцию преобразования и погрешность измерения цифрового частотомера, используя временные диаграммы на фиг.З а и д. Площадь каждой трапеции, основаниями которой являются отрезки qi,qn-i и (1+1)-го импульсов частоты fx, а боковыми сторонами - график ВФ и временная

ось, может быть вычислена как Тх (QI + qi-n)/2 . Сумма площадей всех построенных таким образом трапеций может быть представлена в виде

QQ +qi т .qi +Q2 -г , ,

2 I Х I/р I x т ... +

ОТ-Т+ОТ т v л - + 5Тх Тх 2, Q

(Т-1)

- тх 2 PI -TX N ,

I - 1

(1)

где i О, Т - номер импульсов соответственно перед началом и после окончания ВФ (где ВФ равна 0); i 1, (Т-1)- номера первого и последнего импульсов, вошедших в интервал времени Ти Тзад (где ВФ изменяется по треугольному закону, фиг.За).

В то же время, сумма площадей данных трапеций практически равна площади ВФ ЗвФ(фиг.З д) и с учетом (1):

TXN(2)

или

N fxSBo((3)

где Д- разность между суммарной площадью трапеций и SBCD;

относительная погрешность измерения, а ЗБФ представляет собой чувствительность линейной функции преобразования.

На фиг.З д представлена временная диаграмма, иллюстрирующая образование площади А . Ее составляющими являются: на участках временной оси от импульса номер до импульса и от импульса до импульса (начало и конец ВФ - фиг.З а и б) разность между площадями треугольников, образованных по формуле (1) (фиг.З д, пунктир) и треугольников, образованных воспроизводимой ВФ; на участке временной оси, в течение которого длится период Тх, включающий в себя середину ВФ (т.е. момент времени Т3ад/2 Ти/2 - разность между площадью, образованной по формуле (1), трапецией (фиг.З д, пунктир) и площадью пятиугольника, образованного воспроизводимой ВФ.

Имея Топ « Тх и учитывая, что вырабатываемая в цифровом виде ВФ с каждым приращением t на Т0п увеличивается или уменьшается на 1, можно определить, что катеты треугольников в начале и конце ВФ (фиг.Зд) Тх, d : Тх/Т0п, а суммарная площадь этих треугольников AI не превышает Тх/Топ. Приняв площадь ВФ на этих участках временной оси, равной нулю (т.е. наихудший случай), площадь AI представляет собой первую составляющую погрешности А.В середине ВФ разность между площадью ВФ на соответствующем периоде Тх и площадью трапеции в соответствии с формулой (1) может быть геометрически представлена как площадь двух треугольников, ограниченных верхней боковой стороной трапеции (пунктир на фиг.З), графиком ВФ и линией оси симметрии треугольной ВФ (штрихпунктир) на фиг.З). При любом расположении границ периода Тх относительно середины ВФ площадь каждого из этих треугольников не превысит площади прямоугольного треугольника с катетами а: ТхЈ Тх /Топ, а суммарная площадь обоих треугольников Дг не более Тх2/Ттоп. Учитывая, что согласно (1),(2) А AI - Аг и, следовательно, значение Д изменяется в

пределах от -Тх /Т0п до Тх /Топ, модуль относительной погрешности д определяется как

4(4)

-§

|Ти(Д ) (Tn fx)2

ТоЧ

Сравнение с погрешностью прототипа доказывает преимущество по точности цифрового частотомера,

Следует отметить, что принципиальное преимущество в точности измерений сохраняется и при малом количестве ячеек в ЦЛЗ 3 и 9 и других условиях, когда погрешность за счет цифровой аппроксимации изображенных на фиг.З зависимостей не представляет собой пренебрежимо малую величину. Таким образом, использование предлагаемого цифрового частотомера непрерыв5 ного действия позволяет не только определить среднее значение частоты сразу же по поступлению запроса, но и перейти к прецизионным измерениям средней частоты путем статистической обработки пол0 ученных отсчетов за фиксированный интервал времени.

Формула изобретения Цифровой частотомер непрерывного

5 действия, содержащий первый формирователь импульсов, вход которого является входом устройства, последовательно соединенные триггер, первый элемент И, второй формирователь импульсов, выход

0 которого объединен с информационным входом первой цифровой линии задержки, суммирующим входом первого реверсивного счетчика импульсов и входом сброса триггера, а также генератор опорной частоты,

5 прямой выход которого подключен к второму входу первого элемента И, а инверсный выход - к синхронизирующему входу первой цифровой линии задержки, причем выход первого формирователя импульсов

0 соединен с входом установки триггера, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введен второй элемент И, третий и четвертый формирователи импульсов, вторая циф5 ровая линия задержки, формирователь логического нуля, второй реверсивный счетчик импульсов,блок элементов НЕ и последовательно соединенные комбинационный сумматор и накапливающий сумматор, вы0 ход которого является выходом устройства, причем вход третьего формирователя импульсов объединен с первым входом второго элемента И и выходом первой цифровой линии задержки, синхронизирующий вход

5 которой объединен с синхронизирующим входом второй цифровой линии задержки и входом четвертого формирователя импульсов, информационный вход второй цифровой линии задержки соединен с выходом

0 третьего формирователя импульсов, а выход объединен с вычитающими входами первого и второго реверсивных счетчиков импульсов, второй вход первого элемента И соединен с вторым входом второго элемен5 та И, выход которого подключен к суммирующему входу второго реверсивного счетчика импульсов, первая и вторая группы входов комбинационного сумматора соединены соответственно с выходами блока элементов НЕ и первогб реверсивного счетчика

импульсов, вход младшего разряда и входы старших разрядов блока элементов НЕ подключены соответственно к выходу формирователя логического нуля и к выходу второго

реверсивного счетчика импульсов, а вход синхронизации накапливающего сумматора соединен с выходом четвертого формирователя импульсов.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для непрерывного определения частоты с повышенной точностью. Цифровой частотомер непрерывного действия содержит формирователь 1 импульсов, триггер 2, цифровую линию 3 задержки, генератор 4 опорной частоты, формирователь 5 импульсов, элемент И 6 и реверсивный счетчик 12 импульсов. Введение формирователя 7 импульсов, элемента И 8, цифровой линии 9 задержки, формирователя 10 импульсов, реверсивного счетчика 11, формирователя 13 логического нуля, блока 14 элементов НЕ, комбинационного сумматора 15 и накапливающего сумматора 16 позволило повысить точность за счет использования метода весового усреднения. 3 ил., 1 табл.

47

а 5

вппппппппппппппп f

2 ППППППППППППППГу

д i-i е

Ж J и

м

6

:

Г

I

-.f

d

л -t . t .-t л

фиг.2

а

i-o

6

t

+ t

фиг.З