Цифровой измеритель отношения временных интервалов Советский патент 1992 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах и цифровых системах автоматического контроля и управления.

Известно устройство для вычисления отношения временных интервалов, содержащее генератор импульсов, два элемента И, счетчик, вычитающий счетчик, элемент ИЛИ, одновибратор и счетчик результата. Недостатком измерителя является низкая точность, так как определяется только целая часть отношения временных интервалов.

Известно устройство для вычисления отношения временных интервалов, содержащее генератор импульсов, триггер, одно- вибратор, элемент НЕ, делитель частоты, четыре элемента И, управляемый делитель частоты, два счетчика, блок сравнения кодов, дешифратор нуля и счетчик результата.

Недостатком устройства является низкое быстродействие, так как вычисление дробной части отношения определяется после окончания временных интервалов и время измерения дробной части отношения пропорционально коэффициенту увеличения точности К и может достигать К интервалов времени делителя.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является цифровой измеритель отношения временных интервалов, содержащее блок управления, коммутатор, два счетчика, генератор опорной частоты, управляемый делитель частоты, элемент ИЛИ, блок сравнения кодов, группу вентилей, формирователь импульсов, два элемента И, два дополнительных счетчика, два электронных ключа и счетчик результата, причем выходы первого счетчика подключены к установочным вхошюЈ

iho 4

дам управляемого делителя частоты, вход сброса второго счетчика соединен с выходом элемента , первые выходы ключей подключены соответственно к первой и второй входным шинам устройства, вторые входы ключей объединены и подключены к выходу генератора образцовой частоты, первому входу первого элемента И и входу управляемого делителя частоты, выход которого подключен к первому входу второго элемента И и первому входу блока управления, первый выход которого подключен к вторым входам первого и второго элемента И, выход первого ключа соединен с первым входом формирователя импульсов и, счет- ным входом первого дополнительного счетчика, выход второго ключа соединен со счетным входом первого счетчика и вторым входом формирователя импульсов, выход которого подключен к второму входу блока управления, третий вход которою соединен с выходом блока сравнения кодов, первая и вторая группы входов которого подключены соответственно к выходам разрядов первого и второго дополнительных счетчиков им- пульсов, выход первого элемента I/I соединен со счетными входами второго дополнительного и второго счетчика им пул .э- сов, выход второго элемента И соединен с входом коммутатора и первым входом эле- мента ИЛИ, второй вход которого подключен к второму выходу блока управления и управляющему входу коммутатора, выходы которого соединены с входами разрядов счетчика результата, третий выход блока уп- равления подключен к входу сброса второго дополнительного сигнала и управляющему входу группы вентилей, сигнальные входы которой соединены с выходами разрядов второго счетчика, а входы подключены к входам установки кода первого дополнительного счетчика. Недостатком устройства является низкое быстродействие, так как вь числение дробной части от ношения производится после окончания временного ин- тервала делимого и время измереьия дробной части отношения определяется произведением суммы цифры десятичных разрядов дробной части на длительность временного интервала делителя,

Цель изобретения - повышение быстродействия за счет сокращения времени измерения дробной части отношения.

Техническая сущность предполагаемого изобретения заключается в новой орга- низации цифрового измерителя отношения временных интервалов, а именно вычисление дробной части отношения начинается после окончания временного интервала делителя и осуществляется путем сравнения

текущего кода остатка по каждому из двойных разрядов дробной части, начиная с младшего разряда, с кодом, содержащемся в соответствующем количестве старших разрядов кода временного интервала делителя, и определения дробной части отношения по каждому двоичному разряду в момент окончания временного интервала делителя. Поставленная цель достигается за счет того, что в цифровой измеритель отношения временных интервалов, содержащий три счетчика, генератор опорной частоты, блок сравнения кодов, формирователь импульсов, элемент И два ключа дополнительно введены элемент НЕ, блок счетчиков, блок компараторов, блок обнуления счетчиков и регистр, причем .зыход первого ключа соединен с первым входом блока счетчиков, выход блока сравнения кодов соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен со счетным входом третьего счетчика, входом обнуления первого счетчика, первым входом блока обнуления счетчиков и первым входом в юрой группы входов блока счетчиков, i-й вход которой (i 2m) соединен соответственно с

(Ы)-м выходом блока обнуления счетчиков, 1-е входы которого гоедине. ь: соответственно с (Н)-м выходом блока коммутаторов и (И)-м входом регистра, m-й вход которого соединен с m-м выходом блока компарато ров, j-e информационные входы (j - 1 . .,m) первой группы входов которого соединены соответственно с j ми кодовыми выходами блока счетчиков первая входная соединена с входом фоомировэтеля импульсов выход которого соединен с входом установки регистра вторяя входмая шина соедине на с входом .з НЕ, выход которого соединен с вторым входом элемента И, .о- довый выход второго счетчика соединен с вторым информационным входом блока сравнения кодов, j-e информационные входы второй группы входов блока компараторов соединены с (п-)-ми старшими ра; рядами n-разрядного кодового выхода второго счетчика Подсчет дробной части от- сшения временных интервалов начиг.ает- с я & момент окончания временною интервала делителя ) и осуществляется путем сравнения текущего кода остатка по каждому из двоичных разрядов дробной части, начиная с младшего разряда, с кодом, содержащимся в соответствующем количестве старших разрядов кода временною интервала делителя, и величина дробной части отношения определяется в мома т окончания временного интервала дел.леля (Т-,) за счет того, что выход первого ключа соединен с первый входсм блока счетчиков, выход блока сравнения кодов соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с первым входом блока обнуления счетчиков и первым входом второй группы входов блока счетчиков, i-й вход которой (i

2m) соединен соответственно с (1-1)-м

входом регистра, лп-й вход которого соединен с т-м выходом блока обнуления счет-

чиков, 1-е входы которого (i 2m)

соединены соответственно с (Ы)-м выходом блока компараторов и (Ы)-м 5 выходом блока компараторов, j-e информационные

входы (j 1m) первой группы входов ко-

торого соединены соответственно с j-ми кодовыми выходами блока счетчиков, первая входная шина соединена с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом установки регистра, выход элемента НЕ соединен с вторым входом элемента И, j-e информационные входы второй группы входов блока компараторов соединены с (n-j)-MH старшими разрядами n-разрядного кодового выхода второго счет- чика.

На фиг, 1 представлена структурная схема предлагаемого измерителя; на фиг. 2 - структурная схема блока счетчиков; на фиг. 3 - схема блока компараторов; на фиг. 4 - схема блока обнуления счетчиков; на фиг. 5 - временные дизфз.лмы работы измерителя.

Первый вход первого ключа 1 (см. фиг. 1) является первым входом устройства и со- единен с первой входной шиной 2 и входом формирователя 3 импульсов, первый вход второго ключа 4 является вторым входом устройства д соединен с второй входной шиной 5 и входом элемента НЕ 6, второй вход второго ключа 4 соединен с выходом генератора 7 опорной частоты и вторым входом первого ключа 1, выход которого соединен с первым входом блока 8 счетчиков и счетным входом первого счетчика 9, кодо- вый выход которого соединен с первым информационным входом блока 10 сравнения кодов, выход которого соединен с первым входом элемента 1/111, второй вход которого соединен с выходом элемента НЕ 6, j-e ко-

довые выходы Q 1т) блока 8 счетчиков

соединены соответственно с j-ми информационными входами первой группы входов блока 12 компараторов, j-e информационные входы второй группы входов которого соединены соответственно с (п-| )-ми старшими разрядами n-разрядного кодового выхода второго счетчика 13, кодовый выход которого соединен с вторым информационным входом блока 10 сравнения кодов, а счетный вход второго счетчика 13 соединен с выходом второго ключа 4, выход элемента

И 11 соединен с входом обнуления первого счетчика 9, счетным входом третьего счетчика 14, первым входом блока 15 обнуления счетчиков и первым входом второй группы отношение которых требуется вычислить (см. фиг. 5,а,б). Сигналом, поступающим на вторую входную шину 5 и проходящим через элемент 6 НЕ, запирается элемент И 11. Ключ 1 открывается и в течение времени Ti на счетчик 9 поступают импульсы частотой FO с генератора 7 опорной частоты (см. фиг. 5 в). Одновременно ключ 2 открывается и в течение времени Та на счетчик-13 поступают импульсы частотой F0 с генератора 7 опорной частоты (см. фиг. 5 г). В качестве ключей могут быть использованы логические элементы И. Содержимое счетчика 13 нарастает в течение времени Т2. В момент окончания Т2 ключ 4 закрывается, на счетчик 13 перестают поступать импульсы частоты FO, в счетчике 13 сохраняется код N2 FO T2. Одновременно на выходе элемента НЕ 6 появляется сигнал логической единицы (см фиг. 5 д), отпирающий элемент И 11. Так как на ключи 1 и 4 поступают одновременно импульсы частотой FO с выхода генератора 7 опорной частоты, то в момент окончания Т2 в счетчике 9 содержится также код N2 При равенстве кодов на первом и втгором входах блока 10 сравнения на его выходе сигнал принимает значение логической единицы. Этот сигнал, проходя через элемент И 11, обнуляет счетчик 9, переводя тем самым выходной сигнал блока 10 сравнения кодов в нулевое положение (см. фиг 5 е). Блок 10 сравнения кодов может быть реализован на цифровых компараторах стандартных серий, например 564ЙП2 или К555СП1. Одновременно импульсный сигнал с выхода элемента И 11 поступает на счетный вход счетчика 14 и первый вход второй группы входов блока 8 счетчиков и первый вход блока 15 обнуления счетчиков. В счетчике 14 записывается единица, которая обозначает, что в интервале Ti в момент окончания Т2 укладывается ровно один интервал Т2 В дальнейшем на счетчик 9 поступают импульсы с частотой F0, содержимое счетчика 9 нарастает до момента равенству коду N2, в моменты равенства кодов импульс с выхода блока 10 сравнения кодов (см. фиг. 5 е) через элемент И 11 обнуляет счетчик 9 и прибавляет 1 к содержимому счетчика 9. В момент1 окончания TI ключ 1 закрывается и импульсы прекращают поступать на счетчик 9. В этот момент в счетчике 14 хранится целая часть отношения временных интервалов.

Рассмотрим работу устройства при определении величины дробной части отношения временных интервалов. Импульсы частотой FO с выхода ключа 1 одновременно с поступлением на счетный вход счетчика 9 поступают на счетный вход блока 8 счетчиков. По окончании интервала Та импульс с выхода элемента И 11 (см. фиг. 5 ж) поступает на первый вход второй группы входов блока 8 счетчиков для обнуления входов блока 8 счетчиков, i-й вход которой (i 2,...,m) соединен соответственно с (1-1)-м выходом блока 15 обнуления счетчиков, 1-е входы которого (1 2т) соединены соответственно с (Ы)-м выходом блока 12 компараторов и (Ы)-м входом регистра 16, пт-й вход которого соединен с m-м выходом блока 12 компараторов, выход формирователя 3 импульсов соединен с входом установки регистра 16. Блок 8 счетчиков (см. фиг. 2) содержит m счетчиков, счетные входы всех счетчиков соединены между собой и представляют собой первый вход блока счетчиков, вход обнуления счетчика 8-j (j 1m)

представляет собой вход (2-j) второй группы входов блока 8 счетчиков, информационные выходы счетчиков (8-j) представляют собой j-e выходы блока 8 счетчиков.

Блок 12 компараторов (см. фиг. 3) содержит m компараторов, первый вход компаратора (12-j) 0 1,.-.,пО представляет собой (1-)-й вход первой группы входов блока 12 компараторов, второй вход компаратора (12-j) представляет собой (2-j)-n вход второй группы входов блока 12 компараторов, выход компаратора (12-j) представляет собой j-й выход блока 12 компараторов.

Блок 15 (см. фиг. 4) обнуления счетчиков содержит m формирователей импульсов и (т-1) элементов ИЛИ, входы формирователей (17-j) импульсов (j 1,...,m) являются соответственно j-ми входами блока 15 обнуления счетчиков, выход формирователя (17.1) импульсов соединен с первым входом элемента ИЛИ 18.1, выходы элементов ИЛИ

(18-(i-1))(i 2m) являются соответственно

(И)-ми выходами блока 15 обнуления счетчиков, выходы элементов ИЛИ (18-(i-2)) (i 3) соединены с первыми входами соответственно элементов ИЛИ (18-(i-1)), вторые входы которых соединены соответственно с выходами формирователей (17.i) импульсов 0 2т).

Измеритель может быть реализован на основе интегральных микросхем: логических схем микросхем, счетчиков, компараторов, регистров стандартных серий, например серии 564 ОСТ 11 340.907-80 или серии 155.

Измеритель работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчики 9, 13, 14, счетчики блока 8 счетчиков и регистр 16 находятся в состоянии логического нуля, ключи 1 и 4 закрыты. На первую 2 и вторую

5 входные шины измерителя подаются импульсы с длительностями, соответствующими временным интервалам Ti и Т2 счетчика 8.1 (счетчика старшего разряда блока 8 счетчика). Одновременно импульс с выхода эле0 мента И 11 поступает на первый вход блока 15 обнуления счетчиков. Импульс с первого входа блока 15 обнуления счетчиков поступает на формирователь (17.1) импульсов старшего разряда, который формирует ко5 роткий импульс, который, проходя последовательно через элементы ИЛИ, начиная с элемента (18.1) ИЛИ до элемента ИЛИ (18- (т-1)) образует импульсы на всех выходах блока 15 обнуления счетчиков, (см. фиг. 5

0 з.и.к). Эти импульсы поступают на входы второй группы входов, начиная с второго по т, и обнуляют соответствующие счетчики блока 8 счетчиков. Таким образок, импульс с выхода элемента ИЛИ 17 в моментоконча5 ния интервала Т2 обнуляет все счетчики блока 8 счетчиков. Это свидетельствует о том, что в данный момент дробная часть отношения временных интервалов равна нулю. Аналогичным образом осуществляется об0 нуление блока 8 счетчиков и в дальнейшем при выдаче импульсов с выхода элемента ИЛИ 11, т.е. в моменты, когда интервал i укладывается целое число раз в интервал Т,. Импульсы с выхода ключа 1, поступающие

5 на счетный вход блока 8 счетчиков, одновременно изменяют содержимое каждого счетчика в блоке 8 счетчиков на единицу. Кодовые сигналы с выхода счетчиков (8-j) (j 1,...,m) поступают на j-e входы первой

0 группы входов блока 12 компараторов. Блок 12 компараторов состоит из цифровых компараторов, каждый из которых построен аналогично блоку 10 сравнения кодов. На вторую группу входов компаратора (12-j) по5 ступает кодовый сигнал с (n-j) старших раз- оядов n-разрядного кода N2 счетчика 13. Так первый компаратор (12.1) сравнивает код с выхода счетчика (8.1) с кодом (12.1) старших разрядов кода N2. В момент равенства ко0 дов на выходе компаратора (12.1) появляется сигнал логической единицы (см. фиг. 5 л), который поступает на второй вход блока 15 обнуления счетчиков. Второй формирователь (17-2) импульсоз блока 15 обнуления

5 счетчиков организует короткий импульс в момент изменения на его входе сигнала из О в 1. Этот импульс проходит на все выходы блока 15 обнуления сче. -/,ков (см. фиг. 5 з,и,к), затем поступает на обнуления счетчиков блока 8 счетчиков начиная

со счетчика (8.2) и до счетчика (8.т). Второй компаратор (12.2) сравнивает код с выхода счетчика (8.2) с кодом (п-2) старших разрядов кода NL. В момент равенства кодов на выходе компаратора (12.2) появляется сигнал логической единицы (см. фиг. 5 м), который поступает на третий вход блока 15 обнуления счетчиков. Третий формирователь (17.3) импульсов формирует короткий импульс, который проходит на все выходы блока 15 обнуления счетчиков,-начиная с второго выхода (см. фиг. 5 и,к). Эти импульсы поступают на входы обнуления блока 8 счетчиков, начиная со счетчика (8.3) и до счетчика (8.т) Третий компаратор (12.3) сравнивает код с выхода счетчика (8.3) с кодом (п-3) старших разрядов кода N2. В момент равенства кодов на выходе компаратора (12.3) появляется сигнал логической единицы (см, фиг. 5 н), который поступает на 4 выход блока 15 обнуления счетчиков, на выходах которого формируются импульсы, начиная с третьего выхода (см. фиг. 5 к). Эти импульсы обнуляют счетчики блока 8 счетчиков со счетчика (8.4) до счетчика (8.т). Аналогичным образом работают и последующие компараторы блока 12 компараторов. Одновременно выходные сигналы компараторов поступают на соответствующие входы регистра 16. Выходной сигнал младшего компаратора (12.т) поступает только на младший вход (m-вход) регистра 16.

Измеритель обеспечивает знание величины дробной части отношения временных интервалов в любой момент времени, начиная с окончания интервала Та. На входах регистра 16 имеется текущая информация о дробной части отношения в долях Т : 2 , , начиная с первого входа и до входа т. В момент окончания интервала Тч ключ 1 закрывается, подача импульсов на блок-8 счетчиков прекращается, формирователь 3 импульсов вырабатывает короткий импульс регистра 16. В регистре 16 запоминается состояние сигналов на его входах в момент подачи импульса. В регистре 16 хранится код дробной части отношения временных интервалов.

Таким образом, в .предлагаемом измерителе обеспечивается вычисление целой и дробной части отношения временных интервалов за время интервала делимого Ti и не требуется дополнительное время на операцию деления, что приводит к повышению быстродействия устройства, Время измерения отношения временных интервалов для прототипа составляет m

ТиУМц + Ј nj T2 + Тпр, j i )

где NU, - количество целых интервалов Та, укладывающихся в интервал Ti;

rij - величина j-ro десятичного разряда после запятой;

ТПр - время для подготовки всех блоков

к новому циклу.

Если на измеритель поступают сигналы с длительностями Ti 10-15 мс, 1 мс Та Ti, то для предлагаемого измерителя время

0 измерения составляет Тизм Ti 10-15 мс. Для прототипа при вычислении отношения с точностью до третьего знака после запятой время измерения отношения временных интервалов составляет Ти Ti +9 .3

5 Та. Дополнительное время на вычисление дробной части отношения может составлять (27-412) мс. Предлагаемый измеритель не требует этого дополнительного времени на вычисление дробной части отношения. Точ0 ность измерителя обеспечивается за счет количества счетчиков блок а счетчиков и компараторов блока компараторов.

Введение новых блоков и функциональных связей позволяет повысить быстродей5 ствие цифрового измерителя отношения временных интервалов за счет сокращения времени измерения дробной части отношения при сохранении точности устройства, что особенно существенно сказывается при

0 использовании измерителя в информационно-измерительных системах и системах автоматического управления при длительностях импульсов, составляющих от единиц миллисекунд до секунд.

5Формула изобретения

Цифровой измеритель отношения временных интервалов, содержащий первый, второй и третий счетчики импульсов, генератор опорной частоты, блок сравнения ко0 дов, формирователь импульсов, элемент И, первый и второй ключи, первые входы которых соединены соответственно с первой и второй входными шинами устройства, вторые входы первого и второго ключей объе5 динены и соединены с выходом генератора образцовой частоты, выход первого ключа соединен со счетным входом первого счетчика импульсов, кодовый выход и которого выход второго ключа соединен со счетным

0 входом второго счетчика импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия за счет сокращения времени измерения дробной части отношения временных интервалов в него введены эле5 мент НЕ, блок счетчиков, блок компараторов, блок обнуления счетчиков и регистр, причем выход первого ключа соединен со счетным входом блока счетчиков. выход блока сравнения кодов соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен

со счетным входом третьего счетчика импульсов, входом обнуления первого счетчика импульсов, первым входом блока обнуления счетчиков и первым входом группы входов блока счетчиков, остальные входы группы входов блока счетчиков соединены соответственно с группой выходов блока обнуления счетчиков, группа входов которого соединена соответственно с выходами блока компараторов, кроме последнего, и с входами регистра, кроме последнего, последний вход которого соединен с последним выходом блока ком0

параторов, первые информационные входы которого соединены соответственно с кодовыми выходами блока счетчиков, первая входная шина соединена с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом установки регистра, вторая входная шина соединена с входом элемента НЕ, выход которого соединен с вторым входом элемента И, кодовый выход второго счетчика импульсов соединен с вторым информационным входом блока сравнения кодов и вторыми информационными входами блока компараторов.

Изобретение может быть использовано в информационно-измерительных системах и цифровых системах автоматического контроля и управления. Изобретение позволяет повысить быстродействие за счет сокращения времени измерения дробной части отношения. Поставленная цель достигается за счет т того, что вычисление дробной части отношения начинается после окончания временного интервала и осуществляется путем сравнения текущего кода остатка по каждому из двоичных разрядов дробной части, начиная с младшего разряда с кодом, содержащимся в соответствующем количестве старших разрядов кода временного интервала и определения дробной части отношения по каждому двоичному разряду в момент окончания временного интервала и достигается за счет введения в измеритель элемента НЕ 6, блока 8 счетчиков, блока 12 компаратора, блока обнуления 15 счетчиков и регистра 16. Измеритель также содержит ключи 1, 4, счетчики 9, 13, 14 импульсов, блок 10 сравнения кодов и элемент И 11. 5 ил. (Л С

Ф

Я

Q

EFr-о

Фиг. 2