Аналого-цифровой частотомер Советский патент 1992 года по МПК G01R23/00 

Изобретение может быть использовано для измерения частоты процессов малой скорости изменения. Целью изобретения является повышение быстродействия. Аналого-цифровой частотомер содержит генератор пилообразного напряжения, генератор опорной частоты, пиковый детектор, усилитель-формирователь, первый и второй ключи, счетчик, цифроаналоговый преобразователь. Введение первого и второго сумматоров первого триггера, второго триггера, источника опорного напряжения, делителя напряжения, формирователя гиперболической функции, генератора логической единицы, первого и второго инверторов, элемента задержки, элемента И, элемента ИЛИ, дифференцирующей цепи и регистра памяти позволяет повысить быстродействие. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано для измерения мгновенной частоты процессов малой скорости изменения.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

На фиг, 1 представлена функциональная схема аналого-цифрового частотомера: на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу: на фиг. 3,4 и 5 - функциональные схемы генератора тока, пикового детектора и генератора опорной частоты соответственно.

Аналого-цифровой частотомер содержит генератор 1 пилообразного напряжения, формирователь 2 гиперболической функции, генератор 3 опорной частоты, источник 4 опорного напряжения, делитель 5 напряжения, цифроаналоговый преобразователь 6, два сумматора 7 и 8 напряжения, первый 9 и второй 10 ключи, генератор 11 .логической единицы, два триггера 12 и 13, компаратор 14, пиковый детектор 15, элемент ИЛИ 16, усилитель-формирователь 17, два логических инвертора 18 и 19, дифференцирующую цепь 20, элемент 21 задержки, счетчик 22 импульсов, регистр 23 памяти, входную шину 24, выходную шину

25,элемент И 26 и шину 27 масштаба. Выход генератора 1 пилообразного напряжения соединен с первым информационным входом 1И второго ключа 10, соединенного своим вторым информационным входом 2И с шиной нулевого потенциала, а управляющим входом - с С-входом синхронизации D-триггера 12, вторым входом элемента И

26,первым управляющим входом генератора 1 пилообразного напряжения, соединенным с входом логического инвертора 18 и выходом усилителя-формирователя 17, связанного своим входом с выходом элемента ИЛИ 16, первый вход которого подключен к входной шине 24 и второму S-входу установки RS-триггера 13. Выход элемента И 26 соединен с вторыми входами пикового детектора 15 и генератора 3 опорной частоты. Второй вход элемента И 16 соединен с выходом компаратора 14, связанного своим первым входом с выходом второго ключа 10 и первым входом сумматора 8 напряжения, второй и третий входы и выход которого соединен соответственно с выходом ключа 9, выходом цифроаналогового преобразователя 6 и первым входом пикового детектора 15. Второй вход компаратора 14 соединен с выходом сумматора 7 напряжения, связанного своим первым входом с аналоговым входом ключа 9 и первым аналоговым входом цифроаналогового преобразователя 6, соединенным с выходом делителя 5 напряжения, вход которого подключен к выходу источника 4 опорного напряжения, соединенному с шиной 27 масштаба. Второй вход сумматора 7 напряжения соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 6, управляющий вход которого соединен с вторым цифровым управляющим входом генератора 1 пилообразного напряжения и вторым цифровым выходом генератора 3 опорной частоты, связанного своим первым входом с входом логического инвертора 19 и выходом формирователя 2 гиперболической функции, соединенного своими вторым и первым входами соответственно с выходом пикового детектора 15 и выходом RS-триггера 13, соединенным с третьим входом генератора 3 опорной частоты и R-BXOдом сброса D-триггера 12, выход которого подключен к управляющему входу ключа 9 и первому входу элемента И 26. Выход генератора 11 логической единицы соединен с информационным D-входом триггера 12. Первый R-вход сброса триггера 13 подключен к выходу логического инвертора 18. Выход логического инвертора 19 соединен через дифференцирующую цепь 20 с третьим входом пикового детектора 15, вторым управляющим входом регистра 23 памяти, а также с входом элемента 21 задержки, выход которого подключен к R-входу сброса счетчика 22 импульсов, счетный Т-вход и выход которого связаны соответственно с первым выходом генератора 3 опорной частоты и первым цифровым входом регистра 23 памяти, цифровой выход которого соединен с выходной шиной 25 устройства.

Генератор 1 пилообразного напряжения выполнен (фиг. 1) на эталонном конденсаторе 28, генераторе 29 тока, выполненном управляемым, и цепи 30 разряда эталонного конденсатора. При этом генератор 29 тока содержит (фиг. 3) транзистор 31, кодоуправляемое сопротивление 32, два сопротивления 33 и 34 и диод 35.

Пиковый детектор 15 выполнен (фиг. 4)

на диоде 36, конденсаторе 37, ключе 38 и элементе ИЛИ 39. Выход ключа 38 соединен

с катодом диода 36 и первым выводом конденсатора 37 и является выходом пикового детектора 15, первым информационным входом которого является анод диода 36, соединенный с входом ключа 38, управляющий вход которого связан с выходом элемента ИЛИ 39, первый и второй входы которого являются соответственно вторым и третьим входами пикового детектора 15. Второй вывод конденсатора 37 соединен с

шиной нулевого потенциала.

Генератор 3 спорной частоты содержит (фиг. 5) счетчик 40 импульсов, регистр 41. мультиплексор 42, ключ 43, генератор 44 импульсов, h делителей 45-1, ..., 45-h частоты импульсов и RS-триггер 46.

Аналого-цифровой частотомер работает следующим образом.

Импульсы U24 входной измеряемой последовательности, поступающие на входную шину 24 частотомера (фиг. 1) в моменты времени t2, ta , t2 (фиг. 2, а), подаются через логический элемент ИЛИ 16 на вход усилителя-формирователя 17, выходные импульсы и 17 фиксирован ной длительности Ti7 ts ta

которого (фиг. 2, бХ поступая на первый вход генератора 1 пилообразного напряжения, устанавливают последний в нулевое (сброшенное) состояние (фиг. 2, в), а проходя через логический инвертор 18 на первый

вход сброса триггера 13, снимают условия сброса с последнего, выходной уровень напряжения которого и1з(фиг. 2, к)устанавливается уровнем логической единицы под действием входного импульса U24, поступающего на его второй вход. Напряжение Ui3 с выхода триггера 13 удерживает триггер 12 в сброшенном состоянии. Заканчивается импульс на выходе триггера 13 вместе с окончанием импульса Ui на выходе усилителя-формирователя 17. Так, устанавливающийся нулевой уровень Ui после инвертирования в логическом инверторе 18 сбрасывает триггер 13 в исходное состояние в момент времени ts (фиг. 2, к).

Импульс триггера 13, поступая в момент t2 на первый вход формирователя 2 гиперболической функции, запускает последний, в результате на его выходе формируется с момента t2 импульс Ua,

длительность Т2 которого обратно пропорциональна напряжению Ui5. поступающему на второй вход формирователя 2 гиперболической функции с выхода пикового детектора 15(фиг, 2, е):

2 ,

где К - коэффициент пропорциональности (определяется выполнением блока 2).

Импульс U2 (фиг. 2, л) на время своего действия .Г2 включает генератор 3 опорной частоты, выходные импульсы Us которого частотой fa (фиг. 2, и), поступая на первый вход счетчика 22 импульсов, за время Т2 действия этих импульсов устанавливают в нем код N22 72 f3, который по окончании импульса U2 запоминается в регистре 23 памяти под действием положительного сигнала и2о(фиг. 2, м}, поступающего на второй вход регистра 23 памяти с выхода дифференцирующей цепи 20, подключенной своим входом через логический инвертор 19 к выходу формирователя 2 гиперболической функций. Кроме того, импульсом Uao с выхода дифференцирующей цепи 20 в момент времени if через элемент 21 задержки производится сброс счетчика 22.

В результате с момента времени t в регистре 23 памяти хранится код N23, обратно пропорциональный предыдущему временному интервалу, т.е. пропорциональный мгновенной частоте.

Процесс формирования напряжения и 15 на выходе пикового детектора 15 рассмотрим на текущем интервале времени от 12 до t2.

По окончании импульсов Uis и Ui в момент времени гз генератор 3 опорной частоты подготавливается к новому циклу измерений, а генератор 1 пилообразного напряжения находится в сброшенном состоянии, при котором эталонный конденсатор 28 разряжен с помощью цепи 30 разряда под действием импульса Ui7. поступающего на первый вход генератора 1 пилообразного напряжения. По окончании импульсэ Ui7 с момента времени ts цепь 30 разряда отключается и эталонный конденсатор 28 начинает заряжаться с нулевого уровня постоянным током 129 генератора 29 тока, величина тока которого задается кодом N3-0, поступающим с второго выхода генератора 3 опорной частоты на второй вход генератора 1 пилообразного напряжения.

При этом напряжение Ui на вых9де блока f (на конденсаторе 28) с момента гз изменяется с нулевого уровня по линейно нарастающему закону

Ui I t4 ab(t-t3) (1) и через первый вход второго ключа 10 подается на первый вход компаратора 14, на второй вход которого приходит напряжение с выхода сумматора 7 напряжения, на первый суммирующий вход которого подается напряжение Us с выхода делителя 5 напряжения, которое одновременно подается через цифроаналоговый преобразователь 6 на второй (вычитающий) вход сумматора 7 напряжений величиной AUo. Таким образом, на выходе сумматора 7 напряжений с момента t2 действует напряжение

U7-o U5-AUo.(2)

При увеличен15и напряжения Ui до величины UT-O в момент времени t4 срабатывает компаратор 14 и его выходной импульс (фиг 2, г) через логический элемент ИЛИ 16 запускает усилитель-формирователь 17, выходной импульс которого своим фронтом УJ:тaнaвливaeт уровень напряжения на выходе триггера 12 в состояние логической единицы (фиг. 2, и), под действием которой замыкается ключ 9, обеспечивая тем самым с момента времени t4 прохождение напряжения Us делителя 5 напряжения на второй вход второго сумматора 8 напряжений, на третьем входе которого действует наг1ряжение AUi AUo с выхода цифроаналогового преобразователя 6. Так как во время действия импульса Ui7 первый вход втор о сумматора 8 через второй вход второго KI. )ча 10 соединен с шиной нулевого потенциала, на выходе сумматора 8 напряжений в интервале времени t4, ...,ts устанавливается напряжение

Us I ,(3)

передаваемое на выход пикового детектора 15, так как на его втором входе начальной установки действует уровень логической единицы, поступающий с выхода логического элемента И 26, на первом входе которого действует (с момента t4) уровень логической .единицы триггера 12, взведенного фронтом импульсу Ui7 в момент времен и Т4 срабатывания компаратора 14, а на втором входе логического элемента И 26 действует импульс Ui7. Кроме того, выходной импульс логического элемента И 26 в момент времени t4, поступая на второй вход генератора 3 опорной частоты, подготавливает его к работе, так как сбрасывается триггер 46, устраняющий условия сброса счетчика 40 импульсов.

По окончании импульса Ui7 с момента времени ts напряжение Ui на выходе генератора 1 пилообразного напряжения вновь

изменяется по линейному закону с нулевого уровня (фиг. 2, в):

Ui (t-t5).(4)

крутизна которого а ао остается прежней, так как код N3-1 на втором выходе генератора 3 опорной частоты после прохождения первого импульса (после входного U24) KOMhapaTOpa 14 не изменяется N3-1 NS-O. При этом напряжение Us второго сумматора 8 напряжений изменяется до следующего срабатывания компаратора 14 в момент времени te по закону U8 I U5- -AU|-fai(t-t5).(5)

При увеличении напряжения на первом выходе генератора 1 пилообразного напряжения до уровня

U7-i U5-AU6-i(6)

срабатывает компаратор 14, при этом счетчик 40 импульсов блока 3 изменяет свое кодовое состояние на единицу, поэтому код N3-2 на втором выходе генератора 3 опорной частоты также изменяется на единицу, что вызывает соответствующее изменение величины тока 129-2 генератора 29 тока и коэффициента передачи цифроаналогового преобразователя 6, на выходе которого устанавливаетсяновое значение напряжения AU6-2.

Аналогично предыдущему от выходного импульса компаратора 14 запускается усилитель-формирователь 17 и на время действия (от te доt) напряжения Ui на его выходе на выходе второго сумматора 8 устанавливается напряжение

U8lt5 t t7 U5+AU6-2.(7)

транслируемое пиковым детектором 15. В последующие моменты времени t t напряжение Ui на выходе генератора 1 пилообразного напряжения изменяется так:

Ui I t7 t t8 «2 (t -1), (8) при этом напряжение Us на выходе сумматора 8, а следовательно, и U is на выходе пикового детектора 15 изменяются по закону

Ul5 I t8 U5+AU6- -bCG(t-t7)

Таким образом, при очередном достижении напряжением Ui в -м поддиапазоне уровня напряжения

U7-i U5-AUw(10)

срабатывает компаратор 14. Полученный с момента его срабатывания импульс на выходе логического элемента И 26 в результате одновременного действия в моменты времени t7 t ta на первом и втором входах логического элемента И 26 напряжений единичного уровня с выходов соответственно триггера 12 (фиг. 2, и) и усилителя-формирователя 17 (фиг. ,2, б) поступает на второй вход генератора 3 опорной частоты и увеличивает код Ns второго выхода генератора 3 опорной частоты на единицу, в результате чего меняется ток l29-i

в генераторе 1 пилообразного напряжения, а следовательно, и крутизна Ci его выходно- j го напряжения, а также изменяется величина напряжения AUe-i выхода цифроаналогового преобразователя 6.

Если в какой-либо момент времени t придет очередной импульс измеряемой частоты (фиг. 2, а), то вновь взведется триггер 13, фронт выходного импульса которого, поступив на третий вход блока 3, занесет код

счетчика 40 в регистр 41 (фиг. 2, ж), взведет триггер 46, в результате чего счетчик 40 будет сброшен (фиг. 2, 3, момент 12). Кроме того триггер 13 своим выходным уровнем сбросит первый триггер 12, поэтому логический нуль триггера 12 закроет логический элемент И 26 для прохождения импульса и 17 усилителя-формирователя 17, поэтому на выходе пикового детектора 15 будет сохранено напряжение Us, действовавшее на

выходе втррого сумматора 8 в момент t2 прихода очередного импульса измеряемой последовательности.

Для обеспечения работоспособности устройства необходимо выполнять следующие условия.

Длительность тимпульса Ui7 на выходе усилителя-формирователя должна быть по возможности малой, однако достаточной для сброса генератора 1 вилообразного напряжения до пренебрежимо малого уровня напряжения.

Напряжение AUe на выходе цифроаналогового преобразователя 6 и крутизна

«напряжения Ui генератора 1 пилообразного напряжения для любого значения кода Na на втором выходе генератора 3 опорной частоты дрлжны быть пропорциональны с коэфф1 циентом пропорциональности, равным длительности тимпульса Ui7:

AU6-i т -«i(10, а)

При втором и последующих срабатываниях компаратора 14, с момента действия которых происходит изменение кода Ns на

выходе генератора 3 опорной частоты, соотношения последующего и предыдущего значений крутизны а и частоты U2 на выходе мультиплексора 42 должны быть одинаковыми:

«i-H f42-(l+l) д 1

(11) п, «I f42 - i 2

где п 2 при i 0; п 1 при i 1. Выполнение этих усло тому, что срабатывания происходят в моменты вре t2i+2. которые можно опред равенства напряжений U щих на входах компаратор U7 Uio; U7°U5-AU6-i U5- f iо 2 UlO t2l-H-(t2l+2+ откуда следует Us t2i+4 - t2l+2 Так как при I О, t2M t4 «b . откуда t4 Us/ -Ob При 1 1 n 1, тогда Us (t6-t4) -ori, отсюда U5 (fe-) Учитывая, ЧТО оь ai, t6 a б Go 1+«1 или t6 2Us/ Ob. Соответственно для i В общем случае получи ., t2i+4 -Qb Us j ;t2H-4 Напряжение на выход следовательно, и на выходе тора 15 в момент времени лить как сумму напряже сумматора 8: Uis Us Ue-i + Us + T-{t2i44+ так как при t2i+2 Т t2i+4 Oo n U6-2 г п 2-i то, подставляя в (23), получ Ul5 ,+U5 + П 2 т -Ob « .о1-1 Длительность Т2 импульса U2 формирователя 2 гиперболической функции определяется как Ul5т -Ob во время действия которого на первом выходу генератора опорной частоты формируется импульсная последовательность Us, частота fs которой связана с кодом N41 1 регистра 41 соотношением f3 f44 при этом за время Г2 в счетчик 22 импульсов поступит N22 импульсов (фиг. 2, н): f44-2i- n-20-0.к В результате в момент времени t в регистре 23, а следовательно, и на выходной шине 25 устройства будет зафиксирован код N22. обратно пропорциональный периоду Т входной последовательности, т.е. пропорциональный частоте fnan входных импульсов:1 f44 к N2S N23 N22 I - ПОСТОЯННЫЙ масштабный Де У 00 множитель. Формула изобретения Аналого-цифровой частотомер, содс/ржащий генератор пилообразного напряжения, генератор опорной частоты, пиковый детектор, усилитель-формирователь, первый и второй ключи, компаратор, генератор опорной частоты, счетчик, цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены первый и второй сумматоры напряжения, первый и второй триггеры, источник опорного напряжения, делитель напряжения, формирователь гиперболической функции, генератор логической единицы, первый и второй логические инверторы, элемент задержки, элемент И, элемент ИЛИ, дифференцирующая цепь и регистр памяти, генератор пилообразного напряжения дополнительно содержит второй многоканальный управляющий вход, а генератор опорной частоты дополнительно содержит второй и третий управляющие входы и второй многоканальный выход, соединенный с цифровым управляющим входом цифроаналогового преобразователя и вторым многоканальным управляющим входом генератора пилообразного напряжения, связанного своим выходом с первым информационным входом второго ключа.

второй информационный и управляющий входы которого соединены соответственно с шиной нулевого потенциала и вторым Свходом синхронизации первого триггера, первым управляющим входом генератора 5 пилообразного напряжения, вторым входом элемента И и входом первого логического инвертора, связанного своим выходом с первым R-входом сброса второго триггера, выход которого соединен с первым входом 10 формирователя гиперболической функции, третьим входом генератора опорной частоты и третьим R-входом сброса первого триггера, выход которого подключен к управляющему входу ключа и первому входу 15 элемента И, соединенного своим выходом с вторым входом пикового детектора и вторым входом генератора опорной частоты, первый информационный первого триггера соединен с выходом генератора 20 логической единицы, выход источника опорного напряжения связан с шиной масштаба Ивходом делителя напряжения, выход которого соединен с первым аналоговым входом цифроаналогового преобразователя, пер- 25 вым суммирующим входом первого сумматора напряжения и через ключ с вторым .входом второго сумматора напряжения, третий вход которого связан с выходом цифроаналогового преобразователя, соединен- 30 ным с вторым вычитающим входом сумматора напряжения, а первый вход второго сумматора напряжения соединен с выходом второго ключа и первым входом компаратора, соединенного своими вторым 35 входом и выходом соответственно с выходом первого сумматора напряжения и вторым входом элемента ИЛИ, первый вход которого подключен к входной шине и второму S-входу установки второго триггера, а 40 выход элемента ИЛИ соединен с входом усилителя-формирователя, выход второго сумматора напряжения соединен с первым информационным входом пикового детектора, третий управляющий вход которого 45 связан с выходом дифференцирующей цепи, соединенным с вторым управляющим входом регистра памяти и через элемент задержки с вторым R-входом сброса счетчика импульсов, первый счетный вход и выход 50 которого соединены соответственно с первым выходом генератора опорной частоты и первым информационным входом регистра памяти, выход которого соединен с выходной шиной, причем выход формирователя 55 гиперболической функции связан с входом второго логического инвертора, соединенного своим выходом с входом дифференцирующейцепи,выход усилителя-формирователя соединен с первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения, выход пикового детектора связан с вторым входом формирователя гиперболической функции, соединенного своим выходом с первым входом генератора опорной частоты.

e Иод(ш)

f Modi3r. Вых.2 I

3 U(f2) U(26

и

i . / л-Л

Н и(22

а

6ы. Tiinii|inilllllf|IIIHIIplllllllH(lllitliilklllllin1 ( I HllilHIl

гf

±1 6 гз zjs ts tg tr ie 9 I 1/7 j

Y JML

i I . 4i

фиг. г AК П П П ;Г.т срие.З

11

- I

rt

фигЛ