Измеритель временных интервалов Советский патент 1992 года по МПК G04F10/06 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при измерении временных интервалов в наносекундном диапазоне.

Известно устройство, содержащее измерительные линии задержки, выходы которых соединены с первыми входами схем совпадений, вторые входы которых соединены со входом импульса конца измерения, выходы схем совпадений соединены с кодирующим устройством.

Недостатком данного измерителя является малая величина измерительного диапазона, что сужает область применения устройства.

Известен измеритель временных интервалов времени наносекундного диапазона, содержащий первый и второй блоки линии задержки, подключенные своими выходами параллельно через соответствующие схемы совпадений к первому и второму блокам запоминающих элементов, при этом вход стартовых импульсов связан одновременно со входами всех линий задержки первого блока непосредственно, а второго блока через генератор-рециркулятор. Входы всех схем совпадений соединены и подключены ко входу стоп-импульсов. Недостатком данного устройства является большое кол че- ство линий задержки.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному измерителю временныхинтерваловявляетсяпреобразователь интервалов времени в цифровой код содержащий счетчик эталонных интервалов, триггер управления счетом, триггеры разрядов повышенной точности, соединенные со схемой формирования младших разрядов двоичного кода измерения комбинационным способом.

Недостатком данного измерителя является ограниченная область применения, обусловленная необходимостью обеспечения совпадения старт-импульса с импульсом эталонной частоты для устранения ошибки в начале измерения, что накладывает соответствующие ограничения на схемы генераторов эталонных импульсов.

Целью изобретения является повышение точности измерителя за счет устранения ошибки квантования в начале измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель временных интервалов, содержащий счетчик эталонных интервалов, триггер управления счетом, запоминающие элементы первой группы, установочные входы которых соединены с выходами схем совпадений первой группы элементы зз- держчи младших комбинационных разрядов, вентильную схему, управляющий вход которой соединен с выходом триггера управления счетом, а выход -- со счетным входом счетчика эталонных интервалов,

введены схемы совпадений второй группы, запоминающие элементы второй группы и схема дифференцирования, при этом первый информационный вход первой схемы сравнения соединен с входом первого эле0 мента задержки, входом эталонной частоты, входом схемы дифференцирования, выход которой соединен с информационным входом вентильной схемы, первым информационным входом первых схем совпадений

5 первой и второй групп, второй информационный вход первой схемы сравнения соединен с выходом первого элемента задержки, выход первой схемы сравнения соединен с первым информационным входом второй

0 схемы сравнения, входом второго элемента задержки, первым информационным входом вторых схем совпадений первой и второй групп, второй информационный вход второй схемы сравнения соединен с выхо5 дом второго элемента задержки, выход второй схемы сравнения соединен с первыми информационными входами третьих схем совпадений первой и второй групп, выходы схем совпадений второй группы соединены

0 с установочными входами запоминающих элементов второй группы, вторые информационные входы схем совпадений второй группы объединены и соединены с входом импульса начала измерения и входом уста5 новки триггера разрешения счета, вторые информационные входы схем совпадений первой группы объединены и соединены со входом импульса конца измерения и входом сброса триггера разрешения счета, вентиль0 пая схема дополнительно выполняет функцию расширения импульсов.

На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя; на фиг. 2 - пример конк- ретиого выполнения схем 3,4, б, 7,17,18, 20

5 измерителя; на фиг. 3 - временная диаграмма работы измерителя.

Измеритель временных интервалов (фиг. 1) содержит элементы 1 и 2 задержки, схемы 3 и 4 сравнения, схемы 5-7 совпаде0 ний второй группы, запоминающие элементы 8-10 второй группы, схемы 11-13 совпадений первой группы, запоминающие элементы 14-16 первой группы, триггер 17 разрешения счета, вентильную схему- рас5 ширитель 18 импульсов, счетчик 19 эталонных интервалов,схему 20 дифференцирования,блок 21 индикации.

Вход элемента 1 задержки соединен с входом 30 эталонной частоты, входом схемы 20 дифференцирования, первым информационным входом схемы 3 сравнения, первыми информационными входами первых схем 5 и 11 совпадения второй и первой групп, выход схемы дифференцирования соединен с информационным входом вен- тильной схемы 18.

Выход элемента 1 задержки соединен со вторым информационным входом схемы 3 сравнения. Выход схемы 3 сравнения соединен с входом элемента 2 задержки, пер- вым информационным входом схемы 4 сравнения, первыми информационными входами вторых схем 6 и 12 совпадений второй и первой групп.

Выход элемента 2 задержки соединены с вторым информационным входом схемы 4 сравнения. схемы 4 сравнения соединен с первыми информационными входами схем 7 и 13 совпадений второй и первой групп.

Вторые информационные входы схем 5-7 совпадений второй группы соединены с входом 31, с которого поступает импульс начала измеряемого интервала времени и который соединен также с входом установ- ки триггера 17 разрешения счета.

Выход первой схемы 5 совпадений второй группы соединен с установочным входом первого элемента 8 запоминания второй группы, выход которого соединен с выходом 23 измерителя и входом блока 21 индикации.

Выходы второй схемы б и третьей схемы 7 совпадений второй группы соединены соответственно с установочными входами эле- ментов 9 и 10 запоминания второй группы, выходы которых соединены, соответственно, с выходами 24 и 25 измерителя и входами блока 21 индикации.

Вторые информационные входы схем 11-12 совпадений первой группы соединены с входом 22. с которого поступает импульс конца измеряемого интервала времени и который соединен также со входом сброса триггера 17 разрешения счета.

Выход первой схемы 11 совпадений первой группы соединен с установочным входом элемента 14 запоминания первой группы, выход которого соединен с выходом 26 измерителя и входом блока 21 индика- ц им.

Выходы второй схемы 12 и третьей схемы 13 совпадений первой группы соединены соответственно со входами элементов 15 и 16 запоминания первой группы, выходы которых соединены соответственно с выходами 27 и 28 измерителя и входами блока 21 индикации. В :оды установки в состояние О запоминающих элементов 14-16, 8-10 первой и второй групп и счетчика 19 на фиг.

1 не показаны. Выходы счетчика 19 соединены с внешними выходами 29 измерителя и входами блока 21 индикации. Схемы 3 и 4 сравнения являются логическими элементами, реализующими логическую функцию эквивалентность Y X Y + X Y.

В качестве запоминающих элементов 14-16, 8-10 первой и второй групп на фиг. 1 показаны RS-триггеры. До начала измерения все триггеры устанавливаются в нулевое состояние (вход установки в состояние О на фиг. 1 не показан).

Схема 20 дифференцирования выполняет функцию логического дифференцирования - при переходе логического состояния на входе схемы из 1 в О на выходе схемы выдается короткий импульс с амплитудой, равной единичному логическому уровню, и длительностью, минимально достаточной для прохождения через вен- тидьную схему - расширитель 18 импульсов. Вентильная схема - расширитель 18 импульсов при наличии единичного потенциала на управляющем входе и при наличии на информационном входе импульса, поступающего с выхода схемы 20 дифференцирования, выдает импульс с длительностью, достаточной для обрабатывания счетчика 19. Известны стандартные устройства, выполняющие вентильную функцию и функцию расширения импульса, например микросхема 133АП,

На фиг. 2 раскрыто построение схем 3, 4. 6, 7. 17, 18, 20 фиг. 1 на стандартных элементах. Группы элементов, составляющие указанные схемы, на фиг. 2 обведены пунктирной линией с указанием соответствующих номеров схем фиг. 1.

Схема сравнения 3 состоит из элементов 32...37. Элементы 32, 33, 36 - инвертирующие усилители, элементы 34, 35 - логические элементы И, элемент 37 - логический элемент ИЛИ. Элементы 32, 33, 36 имеют полосу пропускания не менее 25 ГГц. Задержкиданныхэлементов

Д гз2 А 7зз А гзб 50-100 пс. Элементы 34, 35, 37 выполнены на стандартных микросхемах и имеют типовые задержки распространения сигналов не.

Элементы 40, 41, 42 являются общими для схем 4 и 7. В схему 4 входят также элементы 38, 39 - инвертирующие усилители и элемент 43 - неинвертирующий усилитель. Схемы 4 и 7 на фиг. 2 эквивалентны схемам 4 и 7 на фиг. 1, так как выполняемая ими логическая функция одна и та же:

Y U V-Z + U 7-Z.

Элементы 44 и 45 - RS-триггер, элементы 46, 47 - инвертирующие усилители элемент 48 - линия задержки, определяющая величину зоны совпадений при формировании длительности импульса в элементах 49, 50, при разрешении формирования, поступающем с элемента 44.

Элементы 44, 45, 49 - стандартные микросхемы с типовой задержкой распространения сигналов 1 не.

Задержки распространения сигналов во всех указанных элементах могут быть скомпенсированы задержкой в схеме формирования импульса начала измерения (на фиг. 1 данная схема не показана) и регулировкой порога срабатывания логических элементов. Таким образом неопределенности формирования временных интервалов измерительной сетки младших комбинационных разрядов и зона неопределенности формирования - неформирования счетных .импульсов измерителя могут быть сделаны достаточно малыми и достоверность младших разрядов измерителя (комбинационных и первого счетного) будет близка к 100%.

Измеритель работает следующим образом.

С входа 30 на первый вход схемы 3 сравнения поступает эталонная частота с периодом Т в виде меандра, т.е. длительность единичного логического уровня равна длительности нулевого логического уровня (см. фиг. 3). Данная частота на втором входе схемы 3 сравнения сдвинута по времени на величину Т/4 за счет элемента 1 задержки. В результате на выходе схемы 3 сравнения формируется частота в виде меандра с длительностью полупериода Т/4 (см. фиг. 3).

Аналогичным образом на выходе схемы 4 сравнения формируется частота в виде меандра с длительностью полупериода Т/8 (см. фиг. 3).

С выходов схем 4 и 3 сравнения, а также с тактового входа 30 частоты с полупериодами соответственно Т/8, Т/4, Т/2 поступают на первые входы схем 5-7 и 11-13 совпадений.,

В момент прихода с входа 31 импульса начала измеряемого интервала (на фиг. 3 - Старт) на вторые входы схем 5-7 совпадений второй группы на выходах схем совпадений 5-7 выдаются импульсы в случае совпадения старт-импульса с единичным логическим уровнем полупериода соответствующей частоты, поступающей на первые входы данных схем. Данные импульсы поступают на соответствующие элементы 8- 10 запоминания интервалов второй группы, выходы которых являются выходами 23, 24, 25 измерителя. По данным выходам выдаются значения младших разрядов кода начала измерения, формируемые несчетным способом Вес разряда на выходе 23 равен Т/2, на выходе 24 равен Т/4, на выходе 25 равен Т/8. Старт-импульс, кроме того, устанавливает триггер 17 разрешения счета в состояние 1 и вентильная схема - расширитель 18 импульсов пропускает эталонную частоту с выхода схемы 20 дифференцирования на счетчик 19, в котором фиксируется

0 количество переходов из состояния 1 в О потенциала на входе 30 и, таким образом, формируется двоичный код счетных разрядов кода измерения на выходах 29, младший разряд которого имеет вес Т, т.е. равен

5 величине периода эталонной частоты на входе 30.

В момент прихода с входа 22 импульса конца измеряемого интервала в схемах 11- 13 совпадений первой группы и элементах

0 14-16 запоминания первой группы, которые соединены с выходами 26, 27, 28. формируются несчетным способом значения разрядов кода конца измерения. Вес разряда на выходе 26 равен Т/2 на выходе 27 равен

5 Т/4, на выходе 28 равен Т/8. Кроме того, с приходом стоп-импульса триггер 17 разрешения счета устанавливается в состояние О и вентильная схема 18 не пропускает импульсы эталонной частоты Т в счетчик 19.

0 На фиг. 3 показан случай измерения, когда в счетчик 19 поступили 2 импульса между моментами прихода старт-импульса и стоп-импульса. следовательно, по выходам 29 будет выдан двоичный код 10, что

5 соответствует числу 2 в десятичной системе счисления. Вес младшего разряда данного кода равен Т. С учетом наличия в измерителе еще трех младших разрядов с весами Т/2. Т/4, Т/8, которые формируются несчетным

0 способом, счетная часть кода измерения для рассматриваемого примера записывается кодом 10000.

Момент прихода старт-импульса на фиг. 3 совпал с единичным полупериодом меан5 дров Т/4, Т/8 и не совпал с единичным полупериодом меандра Т/2, поэтому по выходам 24 и 25 будет выдано единичное значение, а по выходу 23 нулевое значение младших разрядов кода начала измерения,

0 полученные несчетным способом, и соответствующий код начала измерения будет 011.

Момент прихода стоп-импульса на фиг. 3 совпал с единичными полупериодами ме5 андра Т/2 и Т/8 и не совпал с единичным полупериодом меандра Т/4, поэтому по выходам 26 и 28 будет выдано единичное значение, а по выходу 27 - нулевое значение младших разрядов кода конца измерения, полученные несчетным способом, и соот

ветствующий код конца измерения будет 101.

Результат измерения в общем виде:

Кизм Кеч Кн Кк,

где Кизм двоичный код результата измерения;

КСч двоичный код числа интервалов Т, зафиксированных в схеме 19 счета эталонных интервалов и выданный по выходам 29;

Кн двоичный код начала измерения, зафиксированный в схемах 8-10 запоминания и выданный по выходам 23-25:

Кк - двоичный код конца измерения, зафиксированный в схемах 14-16 запоминания и выданный по выходам 26-28.

Для рассмотренного примера результат измерения в двоичном коде:Кизм Кеч Кн + Кк

10000-011 + 101 10010 или, учитывая веса двоичных разрядов, результат измерения для рассмотренного случая в единицах эталонного интервала будет:

Киэм 10010 1-21-Т + 0-2°.Т +

+0-2 1.Т + .Т + (2 + 1 /4)Т.

Для индикации результата измерения используется блок 21 индикации. Коды Ксч, Кк, К индицируются на табло блока 21 в цифровом виде, причем код КСч - как основная величина, код Кк - как положительная поправка, код Кн - как отрицательная поправка.

Таким образом, в предложенном измерителе измеряется время между старт-импульсом и первым эталонным импульсом несчетным методом, при этом ошибка квантования в начале измерения уменьшается почти на порядок (в 8 раз) по сравнению с известными измерителями, не использующими синхронизацию генератора эталонной частоты старт-импульсами.

Формула изобретения Измеритель временных интервалов, содержащий счетчик эталонных интервалов, триггер управления счетом, запоминающие элементы первой группы, установочные входы которых соединены с выходами схем

совпадения первой группы, элементы задержки младших комбинационных разрядов, вентильную схему, управляющий вход которой соединен с выходом триггера управления счетом, а выход - со счетным входом счетчика эталонных интервалов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первая и вторая схемы сравнения, схемы совпадечия второй группы, запоминающие элементы второй группы и схема дифференцирования, первый информационный вход первой схемы сравнения соединен с входом первого элемента задержки,

входом эталонной частоты, входом схемы дифференцирования, первыми информационными входами первых схем совпадения первой и второй групп, второй информационный вход первой схемы сравнения соединем с выходом первого элемента задержки, выход первой схемы сравнения соединен с первым информационным входом второй схемы сравнения, входом второго элемента задержки, первыми информационными входами вторых схем совпадения первой и второй групп, второй информационный вход второй схемы сравнения соединен с выходом второго элемента задержки, выход второй схемы сравнения соединен с первыми

информационными входами третьих схем совпадения первой и второй групп, выходы схем совпадения второй группы соединены с установочными входами запоминающих элементов второй группы, вторые информзционные входы схем совпадений второй группы объединены и соединены с входом импульса начала измерения и входом установки триггера управления счетом, вторые информационные входы схем совпадения

первой группы объединены и соединены с входом импульса конца измерения и входом сброса триггера управления счетом, информационный вход вентильной схемы соединен с выходом схемы дифференцирования,

причем вентильная схема дополнительно выполняет функцию расширителя импульсов.

(/А

jki ritwM4 J jh-TLr

JlrtLrLTLTL

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Измеритель содержит: 2 элемента задержки (1), (2), 2 схемы сравнения (3), (4), 3 схемы совпадения второй группы (5), (6). (7). 3 блока запоминающих элементов (8), (9), (10) второй группы, 3 схемы совпадений первой группы (11), (12),

о ty,

Тг

В ход ы 31 22

U

17

i и

О Старт

&д счетчиха

f9 a

LJ-U

ZT

ЗГ

Стоп

т

Vttt.S