Измеритель длительности импульсов Советский патент 1993 года по МПК G01R29/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям временных интервалов.

Цель изобретения повышение точности измерения Гц.

На фиг.1 изображена схема измерителя, на фиг.2 - схема фильтра первого формирователя; на фиг 3 схема фильтра второго формирователя, на фиг.4, 5 - временные диаграммы, поясняющие работу измерителя, на фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие наличие положительного эффекта.

Устройство (фиг.1) содержит: 1. 2 - фильтр, 3,4- аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 5, 6 схема сравнения; 7, 8 - коммутатор; 9, 10 -регистр, 11, 12-коммутатор; 13, 14 - регистр; 15 - генератор тактовых импульсов (ГТИ). 16 - счетчик; 17, 18

-вычитатель; 19. 20- формирователь; 21, 22

-блок регистрации времени (БРВ).

Фильтры 1, 2 (фиг.2, 3) соответственно содержат: 23. 24 - линия задержки (ЛЗ); 25, 26 - усилитель. 27. 28 - сумматор.

При этом последовательно соединены первый формирователь 19 и первый БРВ 21,

а также второй формирова ель 20 и второй БРВ 22 Входом измерителя являются объединенные входы формирователей 19. 20. Выходы БРВ 21, 22 соединены с первым и вторым входами соответственно первого вычитателя 17, последовательно соединенного с вторым входом второго вычитателя 18, к первому входу которого подключена шина установки начального кода. Выход второго вычитателя является выходом измерителя. Кроме того, выход генераторатакто вых импульсов 15 соединен с первым и вторым управляющими входами первого 19 и второго 20 формирователей, со счетным входим счетчика 16 и входами записи первого 13 и второго 14 регистров соответственно первого 21 и второго 22 БРВ. Каждый фильтр 1, 2 (фиг. 1-3) состоит соответственно из N-отводной линии задержки 23, 24. входы которых являются входами фильтров 1. 2. Линия задержки обеспечивает шаг задержки Д и общее время задержки NAt. Шаг задержки At выбирается из условия достижения требуемой точности измерения ru, а об(Л

С

00

го ел ю

XI

щее время задержки N At выбирается равным максимальной величине длительности импульса, измерение которого предполагается осуществлять. В фильтре 1 вход ЛЗ и все промежуточные выходы, кроме последнего, подключены к сумматору 27 непосредственно, а последний выход ЛЗ - через усилитель 25. Аналогично в фильтре 2 все выходы ЛЗ подключены к сумматору 28 непосредственно, а вход ЛЗ - через усилитель 26. Усилители 25, 26 имеют коэффициент усиления, равный двум, а сумматоры 27, 28 имеют N+1 вход каждый. Выходы сумматоров 27, 28 являются выходами фильтров 1, 2 соответственно и подключены к АЦП 3, 4 в каждом канале соответственно Тактовая частота FT ГТИ выбирается из условия

FT- 1/At

(1)

АЦП преобразует поступающее на его вход с выхода фильтра напряжение из аналоговой формы в цифровую. На выходе АЦП формируется гп-разрядный код, поступающий на схему сравнения 5, 6 и коммутатор 7, 8. На элементах 5, 7. 9 первого 19 и 6, 8, 10 второго 20 формирователей реализуется схема, осуществляющая последовательную процедуру выбора максимального значения.

БРВ каждого канала состоит из коммутаторов 11, 12 и регистров 13, 14. На входы записи регистров 13, 14 поступает тактовая частота с выхода ГТИ 15. БРВ регистрирует время, выделения максимального значения напряжения, выбранного в формирователе.

Схема измерителя длительности импульса работает следующим образом:

В начале процедуры измерения длительности импульсы регистры 9, 10 (фиг.1) формирователей 19, 20 соответственно, регистры 13, 14 блоков регистрации времени 21,22 соответственно и счетчик 1 б устанавливаются в нуль импульсом, поступающим на их входы Установка в нуль от схемы Обнуление по включению. Схема Обнуление по включению на фиг.1 не показана. На выходе вычитателя 17 в начале процедуры измерения устанавливается нулевой код, соответствующий длительности Ги 0, так как операции вычитания подвергаются нулевые значения кодов, записанных iio включению в регистры 13, 14. На выходе вычитателя 18 в начале процедуры формируется значение кода, соответствующее длительности . На втором входе схемы сравнения 5 формирователя 19 с выхода регистра 9 и на втором входе схемы сравнения б формирователя 20 с выхода регистра

10 По включению устанавливается началь ное пороговое напряжение Un 0.

Схема работает следующим образом.

Входной сигнал поступает на два филь- тра 1 (фиг. 1. 2) и 2 (фиг. 1, 3).

Импульсные переходные функции К 1, 2 (t) фильтров 1, 2, а также их реакции

/IIч

Uobix 1.2 (t), Увых 1.2 (t). Увых 1.2 (t)

на входные воздействия

U BX (t), UBX (t), UBX (t)

соответственно изображены на фиг.4, 5.

Специальный вид переходных функций Ki(t) и K2(t), имеющих пьедестал и вершины, расположенные на разных концах пьедестала для Ki(t) и K2(t), приводит к тому,

что:

при любой длительности входного импульса - от минимальной для UBX (t) и до максимальной для Uex (t) - реакция фильтра на их воздействия имеют один единственный локальный максимум, что позволяет говорить о максимуме выходного сигнала фильтров

М1 - для фильтра 1; М2 - для фильтра 2.

Максимумы М1 и М2 реакций 1-го и 2-го

фильтров оказываются привязанными к переднему фронту входного импульса, причем момент появления tMi на выходе 1-го фильтра сдвинут .относительно переднего фронта входного импульса на время, равное Тлз, а момент появления tM2 максимума М2 на выходе 2-го фильтра сдвинут относительно переднего фронта входного импульса на время, равное длительности импульса ти .

Отсюда можно заключить, что моменты twi. tM2 появления максимумов М1, М2 сдвинуты относительно друг друга на время, равное

45

tM1 - tM2 Тлз - Ги ,

(2)

что позволяет вычислить ти по данным tMi и

tM2.

С выхода фильтров 1, 2 выходные сигнэ- лы Uewxi(t) и UBb(x2(t) поступают на АЦП 3 и АЦП 4 соответственно.

Для обеспечения работы АЦП 3 и 4 на их вспомогательные входы поступает тактовая частота FT, причем FT 1 / At.

На выходах АЦП 3 и 4 будут формироваться коды напряжений с выходов фильтров 1 и 2 соответственно, которые в цифровом виде (т - разрядный код) с периодом следования, равным At 1/FT, поступают соответственно на схемы сравнения 5, б и коммутаторы 7, 8.

Процессы, проходящие в элементах 5,7, 9 и 6, 8, 10, аналогичны. Рассмотрим процедуру выбора максимума, осуществляемую в формирователе 19.

На первый вход схемы сравнения 5 поступает текущее значение напряжения, выделенное фильтром 1 и преобразованное АЦП 3. На второй вход схемы сравнения 5 поступает напряжение, хранящееся в регистре 9, которое в начале процедуры устанавливается равным нулю по включению. На выходе схемы сравнения 5 вырабатывается напряжение лог. О или лог. 1 в зависимо- сти от того, какая из двух сравниваемых величин больше.

Если с выхода АЦП 3 поступает напряжение больше, чем записанное в регистре 9, то на выходе схемы сравнения 5 выраба- тывается напряжение, поступающее на управляющий вход коммутатора 7, под действием которого выход АЦП 3 соединяется с входом регистра 9. Под действием тактовой частоты Fr, поступающей с выхода генератора 15 на вход записи регистра 9, вновь поступившее с АЦП 3 значение напряжения запишется в регистре 9.

В следующем отрезке времени, равном As., вновь поступившее с АЦП 3 напряжение будет сравниваться с напряжением, ранее записанном в регистре 9, в данном случае с предыдущим. Если вновь поступившее значение оказалось, например, меньше, чем ранее записанное в регистре 9, то на выходе схемы сравнения вырабатывается напряжение, поступающее на управляющий выход коммутатора 7,под действием которого выход регистра 9 соединится с его входом. Под действием тактовой частоты Fr ранее запи- санное в регистре 9 значение вновь переписывается в него

Таким образом, если вновь поступившее с АЦП 3 значение напряжения превышает по величине ранее записанное в регистре 9, то в регистре 9 записывается новое значение. Если новое значение напряжения, поступившее с АЦП 3, не превышает ранее записанное, то в регистре 9 регенерируется старое значение. Таким об- разом, к концу процедуры в регистре 9 будет находиться максимальное за все время процедуры выделенное фильтром 1 напряжение, т.е. реализуется последовательная процедура выбора максимального значе- ния.

Все выше сказанное относительно процедуры выбора максимума в формирователе 19 в равной степени справедливо для формирователя 20 с учетом разницы в нуме-

рации составляющих ею отдельных элементов.

С выхода схемы сравнения 5 формирователя 19 управляющее напряжение поступает на коммутатор 11 блока регистрации времени 21. С выхода схемы сравнения 6 формирователя 20 управляющее напряжение поступает на коммутатор 12 блока регистрации времени 22. Блоки регистрации времени 21 и 22 фиксируют моменты выделения максимального значения в формирователях 19. 20 соответственно и работают соответственно под их управлением.

Блоки регистрации времени 21. 22 выполнены аналогично. Рассмотрим работу блоков регистрации времени на примере БРВ 21.

Выход регистра 13 и выход счетчика 16 подключены к входам коммутатора 11, на управляющий вход которого приходит управляющее напряжение со схемы сравнения 5 формирователя 19.

В начале процедуры регистр 13 был установлен в нуль от схемы обнуления по включению.

С приходом каждого тактового импульса Fr. счетчик 16 изменяет свое состояние. На его выходе каждый период At меняется код времени. В те моменты времени, отсчитываемые счетчиком 16, когда с выхода АЦП 3 поступает напряжение, превышающе по величине ранее записанное в регистре 9. в БРВ 21 под действием управляющего сигнала, поступающего со схемы сравнения 5, выход счетчика 16 соединяется через коммутатор 11 с регистром 13. Под действием тактовой частоты FT значение счетчика 16 записывается в регистр 13.

В те моменты времени, когда с выхода АЦП 3 поступает напряжение, не превышающее ранее записанное в регистре 13, в нем регенерируется ранее зафиксированное значение времени (кода).

Все выше сказанное относительно блока регистрации времени 21 в равной степени справедливо для БРВ 22 с учетом разницы в нумерации составляющих элементов.

После окончания входного импульса на выходе вычитателя 17 формируется значение кода, соответствующее разнице во вре- мени AT выделения максимального значения в фррмирователе 191м 1 и времени выделения максимального значения в формирователе 20 tM2.

AT tM1-tM2,(3)

при этом на выходе вычитателя 18 сформируется код времени, соответствующий длительности измеряемого импульса ги

Гц - Тлэ - ЛТ

(4)

Для доказательства положительного эффекта необходимо конкретизировать вид фильтров прототипа. Учитывая их назначение - формирование коротких вспомогательных импульсов в моменты времени, совпадающие с передним и задним фронтом входного импульса, можно предположить, что основной математической операцией, реализуемой этими фильтрами и определяющей их свойство, является дифференцирование входного импульса. Ввиду большого разнообразия схемных решений, обеспечивающих в той или иной форме приближенную реализацию операции дифференцирования, целесообразно ограничиться рассмотрением идеальной дифференцирующей цепочки в качестве фильтров прототипа с тем отличием между ними, что в фильтре 2 дополнительно осуществляется инвертирование выходного сигнала для придания вспомогательным импульсам одинаковой положительной полярности

На Фиг.6 изображены временные диаграммы входного (измеряемого) импульса на фоне флуктуационных выбросов входного шумового воздействия (фиг 6а) и реакции на их воздействие, наблюдаемые на выходах первого (фиг. 66) и второго (фиг. бв) дифференцирующих фильтров прототипа. Форма полезного и помехового входных сигналов умышленно выбрана весьма простой - трапецеидальной и пилообразной с тем. чтобы подчеркнуть качественный характер проводимого доказательства положительного эффекта.

Из диаграмм видно что помимо двух полезных вспомогательных импульсов, обозначенных на фиг.6 буквами ПФ и ЗФ и связанных с передним и задним фронтами измеряемого импульса соответственно, на выходе фильтров присутствует множество ложных импульсов, которые оесьма затруднительно отселектировать от полезных по каким-либо признакам и которые существенно искажают показания измерите- ля+прототипа.

Более того, в ситуации, изображенной на фиг.6, прототип вообще оказывается неработоспособным.

В то же время в настоящем измерителе влияние флуктуационных выбросов на оценку длительности ги проявляется в значительно меньшей степени, что связано с интегрирующим, а не дифференцирующим характером производимых здесь операций фиг.4, 5 Для подтверждения

сказанного можно рассмотреть также флук- туационные выбросы, крутизна которых сравнима с крутизной фронтов полезного импульса, а мощность значительно меньше.

В этом случае вариации положения максимумов Ml, M2 на временных диаграммах фиг. 4ж. 5ж, вызванные воздействием шумов, будут незначительными и сравнимыми

с периодом повторения Т импульсов ГТИ 15 фиг. 1.

Таким образом, такие свойства настоящего измерителя, как интегрирующий характер воздействия фильтров 1, 2 на входной импульс, единственность максимумов М1, М2 в выходных сигналах фильтров 1, 2, способность в реальном масштабе времени фиксировать моменты tMi, tM2, появления максимумов М1, М2 в выходных сигналах фильтров 1,2, обеспечивают повышенную точность измерения длительности выходного импульса

Формулаизобретения

Измеритель длительности импульсов, содержащий генератор тактовых импульсов, счетчик и два формирователя, входы которых являются входами измерителя, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены два коммутатора, два регистра и два вычитателя, причем выходы первого и второго формирователей подключены, к управляющим входам соответственно первого и второго коммутаторов, первые входы которых, соединены с выходом счетчика, выходы первого и второго коммутаторов соединены с входами первого и второго регистров соответственно,

выход первого регистра подключен к второму входу первого коммутатора и первому входу первого вычитателя, выход второго регистра соединен с вторым выходом второго коммутатора и вторым входом первого

вычитателя, выход которого подключен к второму входу второго вычитателя, к первому входу которого подключена шина установки начального кода, выход второго вычитателя является выходом измерителя,

выход генератора тактовых импульсов соединен с первым и вторым управляющими входами первого и второго формирователей, со счетным входом счетчика и входами записи первого и второго регистров, входы

формирователей обьединены, причем каждый из формирователей содержит фильтр, аналого-цифровой преобразователь, схему сравнения, регистр и коммутатор, управляющий вход которого соединен с выходом схемы сравнения, являющимся выходом

формирователя первый и второй управляющие входы формирователя подключены соответственно к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя и входу записи регистра, выход которого соединен с вторыми входами схем сравнения и коммутатора, первые входы которых подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, вход фильтра является входом формирователя, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход коммутатора подключен к входу регистра, при этом фильтр первого формирователя содержит усилитель, (Ы+1)-входо- вой сумматор и N-отводную линию задержки, вход которой соединен с входом фильтра и первым входом (М+1)-8ходового

0

сумматора первые N-1 выходов N-отводной линии задержки соединены с входами с второго по N (М+1)-входового сумматора, N-й выход N-отводной линии задержки через усилитель подключен к(М 1)-му входу (N+1)- входового сумматора, выход которого является выходом фильтра первого формирователя, фильтр второго формирователя содержит N-отводную линию задержки, (Ы+1)-входовой сумматор и усилитель, вход которого соединен с входом N-отводной линии задержки и входом фильтра, а выход - с первым входом (М+1)-входового сумматора, остальные N входов каждого подключены к выходам N-отводной линии задержки, а выход является выходом фильтра второго формирователя

Применение, устройство относится к измерительной технике, в частности к измерителям временных интервалов. Сущность изобретения, устройство содержит два фильтра, два аналого-цифровых преобразователя, две схемы сравнения, четыре коммутатора, четыре регистра, генератор тактовых импульсов, счетчик, два вычитате- ля с соответствующими связями. 6 ил

vE

Вход 3

Фиг. 2.

IJ

д) U бы,

)

uit

М.

ж) # /-W/

Фиг. 4

Вход 4

Фиг.З

- Ј

Ј

а)

/(/)

U l

П

Л) U fax г

е) ,

« м

,) // Л/ j

)/ч

в)

JTL

Ј

Л-«

П4

Ш .пПЛ