Цифровой измеритель скважности прямоугольных импульсов Советский патент 1992 года по МПК G01R23/02 

СП

С

Изобретение касается электрорадиоиз- мерений и может быть применено в системах контроля и автоматического управления. Целью изобретения является повышение точности измерений. Цифровой измеритель скважности прямоугольных импульсов содержит генератор 1 опорной частоты, элементы И 2 -3, элемент И 6, элемент НЕ 8, счетчик 9, управляемый делитель 10 частоты, дополнительный счетчик 11, линию 25 задержки, формирователи 26 и 28 импульсов. Введение элементов И 4 - 5, триггера 7, дешифратора 1.2 нуля, элементов ИЛИ 13 и 14, элементов И 15-17, блока 18 управления, делителя 19, элемента ИЛИ 20, регистра 21, счетчика 22 дробной части, блока 23 памяти, счетчика 24 целой части и элементов И 27 и 29 позволило формировать значение и дробной части величины скважности. 4 ил.

vj

N3 СЛ

ОТ 1ЧЭ

Изобретение относится к применению электроизмерительной техники и может быть использовано в системах контроля и автоматического управления.

Известно устройство для измерения скважности прямоугольных импульсов, содержащее генератор эталонных импульсов, три ключа, делитель частоты следования импульсов, три триггера, делитель частоты на два, логический элемент И, логический эле- мент НЕ и счетчик импульсов.

Недостатком этого устройства является низкая точность.

Известно также устройство для измерения скважности прямоугольных импульсов, содержащее генератор эталонной частоты, три ключа, два триггера, делитель, устройство выделения заднего фронта импульсов и счетчик импульсов.

Недостатком данного устройства явля- ется невысокая точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является цифровой измеритель скважности прямоугольных импульсов, содержащий генератор импульсов эталонной частоты, первый и второй ключи, управляемый делитель частоты следования импульсов и счетчик импульсов, дополнительные ключи и счетчик импульсов, а также два формирователя импульсов, линию за- держки и логический элемент НЕ, входная шина соединена с первым входом первого ключа, а выход генератора импульсов эталонной частоты соединен с первым входом второго ключа и вторым входом первого ключа, выход которого через дополнительный счетчик импульсов и дополнительный ключ подключен к управляющему аходу делителя частоты следования импульсов, а выход второго ключа через делитель частоты следования импульсов подключен к счетному входу основного счетчика импульсов, при этом входная шина подключена к входу логического элемента НЕ, выход которого подключен к второму входу второго ключа, к входу линии задержки и входу первого формирователя импульсов, выход которого подключен к второму входу дополнительного ключа и к установочному входу основного счетчика импульсов, а выход линии задерж- ки через второй формирователь импульсов подключен к установочному входу дополнительного счетчика.

Выходной код N2 устройства определяется выражением

N2--fo j + 10

:Q,

где Т - период входного сигнала; т- длительность импульса;

/3 - число значащих цифр после запятой в выходном коде N2.

При частоте опорного генератора fo 106 Гцб для Т 10 2с, г - с, К f0 т /10/3 , максимальное значение , при этом К 5, a Q 200,00. Для повышения точности, например, в 10 раз, надо либо увеличить f0 в 10 раз, что часто ограничено быстродействием используемых микросхем, либо увеличить количество измеряемых периодов п в десять раз (п 10).

Таким образом, недостатком устройства является ограниченная точность измерения.

Целью изобретения является повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель скважности прямоугольных импульсов, содержащий счетчик, дополнительный счетчик, управляемый делитель частоты, генератор опорной частоты, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И (ключей), третий элемент И (дополнительный ключ), первый вход которого является входом устройства, первый элемент НЕ, линию задержки и первый и второй формирователи импульсов, дополнительно введены триггер, счетный вход которого соединен с третьим входом четвертого элемента И, выходом третьего элемента И и входом первого элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом десятого элемента И и третьим выходом пятого элемента И, первый и второй выходы триггера подключены соответственно к первым входам четвертого и пятого элементов И, вторые входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, выход четвертого элемента И соединен со счетным входом счетчика, выход которого подключен к установочным входам управляемого делителя частоты и дополнительного счетчика, счетный вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ и первым входом девятого элемента И, а кодовый выход - с входом дешифратора нуля, выход которого подключен к первому входу блока управления, к установочному входу делителя и через первый вход третьего элемента ИЛИ к командному входу дополнительного счетчика, выход девятого элемента И соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, к выходу второго элемента И подключен делитель, выход которого соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, и второй вход второго элемента ИЛИ, к третьему входу которого подключен выход пятого элемента И, а выход второго элемента ИЛИ подключен к

счетному входу управляемого делителя частоты, выход которого соединен с первыми входами шестого, седьмого и восьмого элементов И и вторым входом блока управления, выход первого элемента И подключен к второму входу первого элемента ИЛИ, а второй вход соединен с первым выходом блока управления, вторым входом девятого элемента И и вторым входом седьмого элемента И, выход которого подключен к входу регистра, кодовый выход которого соединен с управляющим входом счетчика дробной части скважности, а командный выход - с третьим входом блока управления, первый выход триггера через первый формирователь импульсов соединен с командным входом управляемого делителя частоты, второй выход триггера соединен с вторым входом десятого элемента И, выход которого через второй формирователь импульсов соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ и четвертым входом блока управления, второй выход которого подключен к второму входу второго элемента И и второму входу восьмого элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика дробной части скважности, кодовый выход которого соединен с первым входом блока памяти, второй вход которого подключен к кодовому выходу счетчика целой части скважности, третий выход блока управления подключен к второму входу третьего элемента И и второму входу шестого элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика целой части скважности, четвертый выход блока управления подключен к командному входу блока памяти, а через линию задержки - к входам установки исходного состояния делителя,счетчика,регистра триггера и счетчиков целой и дробной частей скважности.

Традиционно формирование кода скважности производится путем измерения числа вложений длительности импульса тили т /п в длительность одного или п периодов Т.

В данном случае формируется код, пропорциональный целому числу вложений интервала т в период Т, затем определяется код, пропорциональный разности целого числа вложений интервала т в период Т и реального значения скважности, с помощью которого формируется код дробной части скважности. Причем при том же или меньшем времени измерения и той же точности формирования кода целой части скважности количество значащих цифр после запятой в коде скважности больше, а

следовательно, и точность измерения выше.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - структурная схема блока управления; на фиг.З - временные диаграммы работы блока управления и цифрового измерителя скважности прямоугольных импульсов соответственно (масштаб в изображении импульсов частот

f0, fo/a, fo/a2 и так далее не соблюдается из-за ограничения размеров временной диаграммы).

В устройстве (фиг.1) выход генератора 1 опорной частоты соединен с первыми входами первого 2 и второго 3 элементов И и вторыми входами четвертого 4 и пятого 5 элементов И, первый вход третьего элемента И 6 является входом устройства, а его выход подключен к счетному входу триггера

7, третьему входу четвертого элемента 4 И и входу первого элемента НЕ 8, первый выход триггера 7 соединен с первым входом четвертого элемента И 4, выход которого соединен со счетным входом счетчика 9, выход

которого подключен к установочным входам управляемого делителя 10 частоты и дополнительного счетчика 11,кодовый выход которого соединен с входом дешифратора 12 нуля, выход которого через первый вход

третьего элемента ИЛИ 13 подключен к командному входу дополнительного счетчика 11, выход пятого элемента И 5 подключен к третьему входу второго,, элемента ИЛИ 14, выход которого соединен со счетным входом управляемого делителя 10 частоты, выход которого соединен с первыми входами шестого 15, седьмого 16, восьмого 18 элементов И и вторым входом блока 18 управления, первый выход которого подключен к

вторым входам первого 2 и седьмого 16 элементов И, выход второго элемента И 3 соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ 14 и с входом делителя 19, установочный вход которого соединен с выходом дешифратора нуля 12, а выход соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 20, выход которого соединен со счетным входом дополнительного счетчика 11, выход первого элемента И 2 соединен с вторым

входом первого элемента ИЛИ 20, выход седьмого элемента И 16 соединен с входом регистра 21, кодовый выход которого подключен к управляющему входу счетчика 22 дробной части скважности, а командный выход-к третьему входу блока 16управления, второй выход которого соединен с вторыми входами второго 3 и восьмого 17 элементов И, выход восьмого элемента И 17 соединен со счетным входом счетчика 22 дробной части скважности, выход которого подключен

к первому входу блока 23 памяти, выход шестого элемента И 15 соединен со счетным входом счетчика 24 целой части скважности, выход которого соединен с вторым входом блока 23 памяти, третий выход блока 18 управления соединен с вторыми входами третьего 6 и шестого 15 элементов И, четвертый выход - с командным входом блока 22 памяти и через линию 25 задержки с входами установки исходного состояния счетчика, регистра, делителя, триггера и счетчиков целой и дробной частей скважности, первый выход триггера 7 через первый формирователь 26 импульсов соединен с командным входом управляемого делителя 10 частоты, выход первого элемента НЕ 8 соединен с первым входом десятого элемента И 27, второй вход которого подключен к второму выходу триггера 7, а выход через второй формирователь 28 импульсов соединен с четвертым входом блока 18 управления и вторым входом третьего элемента ИЛИ 13, второй вход девятого элемента И 29 соединен с первым выходом блока 18 управления.

Первый вход блока 18 управления (фиг.2) соединен с первым входом одиннадцатого элемента И 30, выход которого соединен с входом сдвига 1 единицы влево (-1) регистра 31 сдвига, первый выход которого является третьим выходом блока управления, второй вход блока 18 управления соединен с первым входом двенадцатого элемента И 32, второй вход которого подключен к второму выходу регистра 31 сдвига 1, который является первым выходом блока 18 управления, третий вход блока 18 управления соединен с первым входом тринадцатого элемента И 33 и входом второго элемента НЕ 34, выход которого подключен к второму входу одиннадцатого элемента И 30, второй вход тринадцатого элемента И 33 соединен с первым входом блока управления, четвертый вход последнего соединен с третьим входом четвертого элемента ИЛИ 35, выход которого подключен к входу сдвига 1 вправо +1 регистра 31 сдвига, четвертый выход которого через третий формирователь 36 соединен с четвертым выходом блока управления и второй линией 37 задержки, первый, второй и четвертый входы четвертого элемента ИЛИ 35 соединены с выходами двенадцатого 32 и тринадцатого 33 элементов ИЛИ и выходом второй линии 37 задержки соответственно, третий выход регистра 31 сдвига единицы подключен к второму выходу блока 18 управления.

Блок 18 управления работает следующим образом.

При включении питания в регистре 31 сдвига единицы устанавливается на его первом выходе 1, т.е. на третьем выходе БУ, на трех остальных О. При этом измеритель

находится в режиме счета Ш , а затем счета . По окончании первого периода Тна входе измерителя на четвертый вход блока 18 управления поступает импульс выхода второго формирователя 28. Регистр 31

сдвига единицы переводит 1 со своего первого выхода на второй. Одновременно по команде второго формирователя 28 в дополнительный счетчик 11 записывается код NT . Измеритель переходит к вычислению

кода N Ал, который формируется при обнулении всех разрядов управляемого делителя 10 частоты, поступившей на второй вход блока управления, регистр 31 сдвига единицы переводит 1 на свой третий выход и

измеритель переходит в режим вычисления кода NQI. Вычисление кода NQI заканчивается при обнулении дополнительного счетчика 11. Импульс с выхода дешифратора нуля через первый вход блока 18 управления и одиннадцатый элемент 30 проходит на вход -1 регистра 31 сдвига единицы. При этом 1 устанавливается на втором выходе регистра сдвига (первом выходе блока управления).

В исходном состоянии в старшем разряде регистра 21 установлен О. Измеритель переходит в режим определения кода N Дт2 (аналогично N Дп), а затем кода NQ2. Эти внутренние циклы повторяются b

раз, пока в старшем разряде регистра 21 не появится 1. Тогда после вычисления Nob при обнулении дополнительного счетчика 11 при наличии 1 на третьем входе блока 18 управления импульс по первому входу

проходит через тринадцатый элемент И 33 и четвертый элемент ИЛИ 35 на вход +1 регистра 31 сдвига единицы, что приводит к появлению импульса на выходе формирователя 36, который переписывает в блок 23

памяти коды целой и дробной части Q из счетчиков 22 и 24, затем через линию 25 задержки (с временем задержки ti) обнуляет счетчики 22, 24 и 9, устанавливает регистр 21, триггер 7 и делитель 19 в исходное состояние, затем через вторую линию 37 задержки (с временем задержки t2 ti) через четвертый элемент ИЛИ 35 переводит 1 с четвертого выхода регистра 31 сдвига единицы на его первый выход (третий выход

блока 18 управления), т.е. переходит к следующему измерению Q.

Счетчик 22 дробной части Q представляет собой b независимых декадных (двоично- десятичных) счетчиков, все счетные входы

которых объединены, а входы разрешения счета подекадно подключены к выходу QI регистра 21. Последний представляет собой (Ь + 1)-разрядный регистр сдвига единицы, в котором в исходном состоянии присут- ствует на выходе первого разряда. Сдвиг 1 вправо в нем происходит при каждом обнулении управляемого делителя 10 частоты при наличии 1 на втором выходе блока 18 управления, т.е. после окончания форми- рования кода очередной значащей цифры

после запятой NQI, i 1,2b.

Блок 23 памяти, делитель 10 и счетчик

11при включении питания не требуют установки исходного состояния. Код скважности NQ записывается в блок 23 памяти по окончании измерения по команде блока 18 управления из счетчиков 22 и 24 и хранится там до окончания следующего измерения и записи нового кода.

Код NT переписывается, а управляемый делитель 10 частоты и дополнительный счетчик 11 в соответствии с алгоритмом работы измерителя по командам первого 26 и второго 28 формирователей и дешифратора

12нуля соответственно.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчик 9, делитель 19 и счетчик 22 дробной части скважно- сти обнулены, в регистре 21 и младшем разряде записана 1, в остальных О, в счетчике 24 целой части скважности в младшем разряде записана 1, в остальных О. На третьем выходе блока 18 управления вы- сокий потенциал, на остальных - низкий, на первом выходе триггера 7 высокий потенциал. При появлении первого импульса длительности т на входе измерителя элементы И 3 и 4 открываются, импульсы с генератора 1 опорной частоты f0 поступают на счетный вход счетчика 9. По окончании импульса триггер 7 переходит во второе состояние, элемент И 4 закрывается, а элемент И 5 открывается. К этому моменту в счетчике 0 сформируется код Ш fo-т и по командному импульсу от формирователя 26 код N переписывается в управляемый делитель частоты, в котором устанавливается коэффициент деления К Nr . Импульсы часто- той f0 через пятый элемент И 5 и второй элемент ИЛИ 14 поступают на вход управляемого делителя 10 частоты, с выхода которого импульсы с частотой fo/K через шестой элемент И 1.5 поступают на счетный вход счетчика 24 целой части скважности.

При появлении второго импульса длительности т , т.е. через период входного сигнала Т, пятый 5 и десятый 27 элементы И

закрываются, блок 18 управления по команде от формирователя 28 переводит 1 со своего третьего на первый выход и тем самым закрывает третий 6 и шестой 15 элементы И и открывает первый 2 и седьмой 1 б элементы И. Одновременно в дополнительный счетчик 11 переписывается код N г . К этому моменту в счетчике 24 целой части скважности сформируется код

1+Ј(T-r).

В управляемом делителе 10 частоты в этот момент остается код

N(5 1 T«f0- A Ti.f0,

где

ATi Т - Q -т.

Импульсы генератора 1 опорной частоты через первый элемент И 2, первый элемент ИЛИ 20 поступают на счетный вход дополнительного счетчика 11, работающего в режиме вычитания, а через девятый элемент И 29 и второй элемента, ИЛИ 14 - на счетный вход управляемого делителя 10 частоты до тех пор, пока с выхода управляемого делителя 10 частоты не поступит первый импульс, который переводит в регистре 21 1 из первого разряда во второй, а блок 18 управления снимает высокий потенциал со своего первого выхода, переводит на второй выход и открывает второй 3 и восьмой 17 элементы И. Это произойдет при обнулении всех разрядов управляемого делителя 10 частоты, при этом в дополнительном счетчике 11 формируется код

МДц T. ATvfo. . Импульсы частотой fa через второй элемент И 3, делитель 19с коэффициентом а 10 и первый элемента ИЛИ 20 поступают на вход дополнительного счетчика 11, а через второй элемент ИЛИ 14 - на счетный вход управляемого делителя 10 частоты. Вычитание импульсов частотой fo/а из кода N Дт1

происходит до обнуления дополнительного счетчика 11. Это время Дм определяется выражением

а ATi f0

Att

ATi.

Все это время с выхода управляемого делителя 10 частоты через открытый восьмой элемент И 17 импульсы частотой fo/K поступают на первую десятичную декаду счетчика 22 дробной части скважности. В результате в ней формируется код

NQI

а ДТ1 -f0 10AT1

f о ГТ

пропорциональный первой цифре значения скважности после запятой

В управляемом делителе 11 частоты формируется код, пропорциональный остатку

N(52-Ј- f0 - AT2f0, где

10ATi

10-

.

По команде дешифратора 12 нуля в дополнительном счетчике 11 записывается код Nr , а блок 18 управления высокий потенциал переносит с второго выхода на первый, открываются первый 2 и седьмой 16 элементы И. В результате происходит формирова- ние кода N Ат2 AT2.fo аналогично описанному. Затем в регистре 21 происходит сдвиг 1 еще на один разряд, в делителе 19 устанавливается коэффициент деления а2 100, а блок 18 управления выдает разрешающий потенциал на свой второй выход. В результате импульсы с управляемого делителя 10 частоты, поступая на вторую десятичную декаду счетчика 22 дробной части скважности, формируют там код

а ДТ2 fp 10 ATI f о t Т

NQ2-пропорциональный второй цифре после запятой значения дробной части скважности. Этот процесс повторяется b раз, где b - требуемое значение значащих цифр после запятой.

По окончании циклов этого процесса регистр 21 со своего старшего ( Ь+1) разряда выдает команду, по которой блок 18 управления снимает высокий потенциал с второго выхода и формирует импульс на четвертом выходе, по которому коды , NQI, N02Моь переписываются в блок 23 памяти, а импульс на выходе линии 25 задержки приводит все элементы схемы в исходное состояние. Блок 18 управления переводит высокий потенциал на свой третий выход, и процесс измерения повторяется.

Формула для конечного кода всего устройства имеет вид NQ + + + ...

1+IzI + JzMl. +

(т-даг.10- 10ПЧ°И

.

v1

v2

Q + {Q}.10.10 + r{{Q}10}10. + ... {{{.;.{Q}10}10...}10.10 b Q + {Q} Q. Где Q - целая часть числа; {Q} - дробная часть числа. Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый измеритель скважности прямоугольных импульсов позволяет повысить точность измерения скважности без

существенного увеличения времени измерения.

6

v1

При f0 10° Гц, Т , ,75.104 5 су известного устройства при времени измерения Ти 0,1 с максимальная точность измерения - один знак после запятой, у предлагаемого устройства при Ти 0.103 с максимальная точность измерения - четыре

0 знака после запятой. Таким образом, незначительное изменение времени измерения дает повышение точности измерения на три порядка.

Формула изобретения

5 Цифровой измеритель скважности прямоугольных импульсов, содержащий счетчик, управляемый делитель частоты, дополнительный счетчик, первый и второй формирователи импульсов, элемент НЕ, ли0 нию задержки, генератор опорной частоты, выход которого объединен с первыми входами первого и второго элементов И, а также третий элемент И, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измере5 ний, в него дополнительно введены триггер, делитель, четвертый - десятый элементы И, первый, второй и третий элементы ИЛИ, дешифратор нуля, регистр, блоки памяти и управления, счетчики целой и дробной частей,

0 причем выход генератора опорной частоты объединен с вторыми входами четвертого и пятого элементов И, первые входы которых соединены с первым и вторым выходами триггера соответственно, выход третьего

5 элемента И, первый вход которрго является входом измерителя, объединен с счетным входом триггера, третьим входом четвертого элемента И и входом элемента НЕ, выход которого соединен с третьим входом пятого

0 элемента И и через последовательно включенные десятый элемент И и второй формирователь импульсов подключен к второму входу третьего элемента ИЛИ и четвертому входу блока управления, выход второго эле5 мента И соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и через последовательно включенные делитель, первый элемент ИЛИ, девятый элемент И и второй элемент ИЛИ подключен к счетному входу управляе0 мого делителя частоты, выход которого объединен с вторым входом блока управления и первыми входами шестого, седьмого и восьмого элементов И, первый выход блока управления объединен с вторыми входами

5 седьмого, девятого и первого элементов И, выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, второй выход блока управления объединен с вторыми входами второго и восьмого элементов И, выход ко- торого подключен к счетному входу счетчика

дробной части, третий выход блока управления объединен с вторыми входами третьего и шестого элементов И, выход которого подключен к счетному входу счетчика целой части, четвертый выход блока управления соединен с командным входом блока памяти и через линию задержки подключен к входам установки начального состояния регистра, счетчика, делителя, счетчиков дробной и целой частей и триггера, второй выход которого подключен к второму входу десятого элемента И, кодовый выход дополнительного счетчика через дешифратор нуля объединен с первым входом блока управления и первым входом третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с командным входом дополни0

5

тельного счетчика, выход седьмого элемента И соединен с входом регистра, кодовый выход которого подключен к управляющему входу счетчика дробной части, а командный выход - к третьему входу блока управления, первый и второй входыблока памяти соединены, соответственно, с выходами счетчиков дробной и целой частей, первый выход триггера через первый формирователь импульсов подключен к командному входу управляемого делителя частоты, а выход четвертого элемента И соединен с счетным входом счетчика, выход которого объединен с установочными входами управляемого делителя частоты и дополнительного счетчика.

-J to

СЛ

ui to

Фиг. 3