ВСЕСОЮЗНАЯ ПАТЕНТ' Советский патент 1971 года по МПК H03M1/60 

Изобретение относится к устройству, позволяющему оиределить частоту синусоидального или квазисинусоидального электрического колебания, выделив ее из ряда заранее известных частот, или же, если эта частота может плавно изменяться в диапазоне, ограниченном частотами Il и Fx+i - измерять указанную частоту с максимальной ошибкой, равной некоторой доле //2 разности между этими предельными частотами, путем локализации неизвестной частоты в нромежутке между двумя известными значениями, отстоящими на величину /.

В дальнейшем под «квазисинусоидальным колебанием будет подразумеваться периодическое колебание, мгновенная амплитуда которого не сохраняет одну и ту же полярность в каждом полупериоде.

Известно устройство для распознавания одной из двух частот fi и F периодического электрического колебания, содержащее квантующее устройство, источник тактовых импульсов, регистр сдвига, полусумматоры, мажоритарные элементы. Выход источника тактовых импульсов в нем соединен со входом каждого разряда регистра сдвига и с одним из входов квантующего устройства, выход которого подключен ко входу первого разряда регистра сдвига. Вход каждого мажоритарного элемента соединен с выходом одного из полусумматоров.

Цель изобретения состоит в создании устройства, которое позволяет распознавать и измерять неизвестные частоты, лежащие в интервале частот (fi,f.Y+i).

Предлагается устройство для распознавания и измерения в двоичной цифровой форме с числом знаков k (больщим единицы) разности между опорной частотой Fm и неизвестной частотой F периодического электрического колебания, имеющего противоположную полярность в двух последовательных полунериодах. Эта частота находится в интервале частот с нижним пределом F, и верхним F.-+i и определяется с ощибкой, меньшей f/2(Fxj.i - -fi)2.Y, где N - целое число, не превышающее 2 (опорная частота F,n находится в указанном интервале). В предлагаемом устройстве колебание перподическп квантуется с учетом его полярности, с периодом ноБторения Го/2-/г, где и - целое число, минимально равное единице. Получаемые таким образом и.мпульсные выборки преобразуются в двоичные сигналы, равные «О или «1, в зависимости от их поляриост), причем эти сигналы сохраняются, по крайней мере, в течение отрезка времени Го. В данном устройстве время Та берется равным 1/4/, а частота Лп - равной:

m()2-./,

где h - целое число, при котором Fm, лелсит в интервале между F и и наибольшая из величии (f.v+i -fm) и (Fm - Fi не будет превышать величины . Двоичный сигнал, соответствующий выбор fee, относящейся к моменту времени t, складывается по модулю два с каждым из k двоичиых сигналов, соответствующих выборкам, сделанным в моменты времени;

(/ 7о/2«-|), (-7о/2-2),..., (t-T,).

Результаты k сложений по модулю два образуют k цифр после мажоритарного отбора иутем сравнения индивидуально каждого 13 указанных результатов, соответствующих нечетному числу носледовательиых моментов квантования.

Для достижеиия поставленной цели первый , каждого полусумматора соединен с выходом -квантуюидего устройства, а второй 1|еод каждого последующего полусумматора подключен к выходу сфответствующего четного разряда регистра сдвига.

Квантующее устройство образует импульсные выборки из измеряемого колебаиия в последовательные моменты с периодом повторения Го/2 -/г, где k - целое число, большее единицы, п - целое число, большее или равиое единице, и преобразует полярность каждой указанной выборки в двоичный сигнал, причем само квантующее устройство управляется от источника тактовых импу:1ьсов с периодом повторения 7о/2- -п.

Регистр сдвига содержит по крайней мере 2- ячеек, причем па вход первой из mix поступает упомянутый двоичный сигпал, и линию сдвига, управляемую от источппка тактовых импульсов.

Число полусу.мматоров равио k; опи имеют каждый два входа и один выход, причем па эти входы иостуиают двоичпые сигналы от разрядов регистра сдвига, ступени которых отличаются па п, 2/7,..., для каждого из полусумматоров.

Число мажоритарных элементов логики равио k. Каждый из них вход, связанный с выходом соответствующего полусумматора, и выход, соедипеинын с одппм из k выходных зажимов в цепи нагрузки. При этом каждый из мажоритариых элементов выдает иа выходе двоичный сигнал, равный большему нз сигналов, поступаюил:их из полусумматора, причем число сигналов равпо нечетному чнслу посяедовательпых выборок.

На фиг. 1 изображена временная диаграмма; на фиг. 2 - электрическая схема устройства; иа фиг. 3-электрическая схема, иллюстрирующая действие устройства, выиолпяющего мажоритарную логическую операцию и используемого в схедге иа фиг. 2.

двух двоичиых сигналов, соответствующих двум выборкам, взятым в заданном интервале времени. Каждый из двоичиых сигналов имеет величииу «О или «1 в зависимости от той или иной полярности соответствующей выборки. Величины этих интервалов времени для различных линий а, б, в и г следующие:

для линии а: , для линии б: То12 l2Fo, для линии в: Го/4 1/4 fo,

для линии г: To/8 li8Fo.

В случае, соответствующем линии а, иредставляется очевидным, что, если периодические выборки берутся с частотой FO из колебания, имеющего ту же частоту f fo, то две иоследовательиые выборки всегда буду: иметь одипаковую иолярпость. Следовательno, оба уиомяиутых двоичиых сигиала всегда

будут одновремеиио равиы «О или «1, а сумма S этих величии в операции суммирования ио модулю два всегда будет равна пулю в соответствии с иравилами булевой алгебры. Тот же результат будет иолучен, если

F будет целым кратпым от FQ.

Напротив, если частота колебания F равна Fo/2 или нечетному целому кратному от Fo/2, то две носледовательные выборки будут всегда идшть иротивоположиую иолярность, и сумма S всегда будет равиа единице. Нромежуточное иоложение будет иметь место тогда, когда, например, F находится в иитервале между Fo/2 и FQ. Нредиолагая фазы выборок произвольными, легко видеть,

что вероятность того, что сумма S будет равиа единице, больше, чем в случае, если F ближе к Fo/2, чем к , и 5 меньше 1/2, если F ближе к FO, чем к F(,/2. Нредполагая теперь, что операции нахождения суммы повторяются иесколько рт через короткие промежутки времепи в течеиие указаииого периода Го и что для выбора величипы 5 производится мажоритарная операция, получим для иаиболее вероятной вс-личипы 5, как фуикции F, график, представлеппый в верхней части а фиг. 1.

Диалогичные рассуждения можио применить к графикам б, в я г для соответству ощих периодов квантования. Наконец, иоследовательпые строки таблицы д на фиг. 1 показывают числетые зпачепия, полученные для суммы 5 после выполнения мажоритарГ10Й логической операции для различных иериодов кваптовапия, соответствующих липия.л а, б, в и г.

Цифры таблицы д точно иредставляют в циклическом двоичиом коде величину F, отсчптаппую от средней частоты Fm 2 FO, причем едипица изменения частоты равна /

0/4. Очевидио также, что для лииии г период Го равеп 1/4/.

Таким образом, фиг. 1 соответствует случаю, когда с максимальиой измеряемой частотой Гд--:- 4F и минимальной измеряечастот, равный 4Fo, делится на 16 равных поддиапазонов и, следовательно, результат кодирования дает величину F с точностью, равной /32 от ширины этого диапазона частот, если взять за номинальное значение кодированной частоты значение средней частоты соответствующего поддиапазона. Любая частота F, содержащаяся в указанной полосе частот, может быть, таким образом, закодирована цифровым кодом с той же степенью точности.

В общем случае, если максимальная допустимая ощибка по частоте равна f/2, то возможное цифровое кодирование ограничивается полосой частот, полуширина котоиой не превышает по обе стороны от средней частоты Fm, которая должна быть целыдг, нечетным, кратным этой полуширины.

В устройстве (см. фиг. 2, где k c, п 2) генератор 1 служит источником колебаний, частота которых должна быть измерена. На один из входов квантующего устройства 2 известного типа (например, амплитудного модулятора или логического элемента «И) подается колебание от источника /, а на другой вход - короткие импульсы выборок, подаваемые источником тактовых ИМПУЛЬСОВ 3 с периодом То/32, где и f/2 - максимальная допустимая ошибка измерения неизвестной частоты F. С выхода источника тактовых импульсов 3 снимается двоичный сигнал, равный «О или «Ь, в зависимости от мгновенной полярности колебания, поступившего от генератора /. В точке 4 выход источника тактовых импульсов 3 соединет ее входом первого разряда регистра 5 сдвига, имеющего 32 ячейки 6-57, каждая из которых содержит триггер с двумя устойчивыми состояниями. С помощью линии сдвига 36 регистра 5, на которую подаются импульсы от источника тактовых импульсов 3, осуществляется перенос сигналов, ностунивших в точку 4, от одного разряда к другому.

Сигналы на входе ячейки 5 и на ВЫХОЛ.Р ячейки 7 соответствуют двум выборкам, разделенным интервалом времени Го/16. Сигналы на входе ячейки 5 и на выходе ячейки 9 соответствуют выборкам, разделенным интервалом времени Го/8 и т. д. Соответственно сигналы на входе ячейки (5 и на выходе ячейки 37 относятся к выборкам, разделенным интервалом времени Го. Образованные таким образом составляющие каждой пары сигналов подаются на два входа каждого из полусумматоров 39-43. Эти полусумматоры (логические ячейки «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ «ИЛИ) выполняют логическое сложение по модулю два сигналов, поступающих на оба их входа.

Выходы полусумматоров 39-43 соответственно связаны со входами элементов 44- 48, выполняющих мажоритарную логическую операцию, работой которых управляет источник тактовых импульсов 3 через соединительную линию 49. Элементы 44-48 сравнивают

величины печегно|-о числа сигналов, соответствующих последовательным моментам квантования и по.ча:1нь;х на вход каждого из них от соответствующих полусумматоров. Результатом сравнения является сигнал, имеющий величину большего из сравнивае.мых сигналов.

Выходы элементов 44-48 соответственно соедтшены с нятью зажимами 50-54, на которых появляются кодированные двоичные сигналы, нредставляющие чнсленное значение измеряемой частоты колебания, постунаюн.его от генератора /. На примере элемента -/5 с помощью фиг. 3

кратно поясняется выполнение мажоритарной операции.

Выход нолусу лматора 43 соединен со входом первой ячейкн регистра сдвига, имеющего три ячейки 55-57 и входящего в элемент 48. Неренос сигналов нз одной ячейкн этого регистра в следующую управляется от источника тактовых импульсов, поступающих по соединительной линии 49. Выходы ячеек 55-57 связаны соответственно: первый с одним из входов блоков «Н 55 и 60, второй - с другим входом блока «Н 55 и одним ивходов блока «Н 5.9. третий - с .другимт; входами блоков «И 59 и 60. С этгтми ячейками 55-57 соединены три блока «И

58-60.

Выходы блоков «и 55-60 соответственно соединены с тремя входами блока «НЛИ 6}. выход которого соединен с выходным зажимo r 54 элемента 48. выполняющего мажоритарную операцию.

Система работает след чощим oбpaзo t. Когда выходные сигналы из трех ячеек 55-57 равны «1, а тпетий сигнал равен «О, то два блока «И дадут на выхо.т:е

«О, а третий «1. Следовательно, блок «ИЛИ 6 дает на выходе сигнал «I. поскольку на один нз его входов подан сигнал «1, а на два других - сигнал «О. Наоборот, если на выходах двух из трех ячеек 55-57

сигнал будет «О, а на третьем выходе - «1, то все блоки «РЬ дадут на выход сигналы «О и. следовательно, блок «ИЛИ 61 выдает сигнал «О. Таким образом, сигнал на выходном зажиме 54 во всех случаях совпа.1ает с

большинством сигналов на выходах ячеек 55-57.

Можно применить также регистры с пятью или семью ячейками и с соответствующим количеством комбинации блоков «И и

«ИЛИ. Их работа будет тем более надежной, чем больще число сравниваемых сигналов и чем больше число выборок п, взятых за промежуток времени Го/2 , при дaннo числе цифр принятого кода и при данной максимальной допустимой ошибке в величине измеряемой частоты.

Из фиг. 2 следует, что кодированные сигналы, полученные на выходных зажимах 50- 54 устройства, могут быть затем использоваiioii индикации, для управления работой реле и т. п., как непосредственно, так и после преобразования кода, например, в двоичный или десятичный код. Пять двоичных сигналов, полученных на зажимах 50-54, можно скомбинировать также для управления адресным дешифратором на 32 направления, нозволяющим носылать какой-либо сигнал со входа этого дешифратора с помощью соответствующей релейной системы к одной из 32 цепей потребления.

Предмет изобретения

Устройство для распознавания и измерения частоты периодического электрического

колебания, содержащее квантующее устройство, источник тактовых импульсов, регистр сдвига, полусумматоры, мажоритарные элементы, причем выход источника тактовых импульсов соединен со входом каждого разря la регистра сдвига и с одним из входов квантующего усгройства, выход которого подключен ко входу первого разряда регистра сдвига, а вход каждого мажоритарного элемента соедииен с выходом одного из полусумматоров, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в нем первый вход каждого полусумматора соединен с выходом квантующего устройства, а второй вход каждого последующего полусумматора подключен к выходу соответствующего четного разряда регистра сдвига.

FO 3Fo 2Fo 5Fo Fo 222Y

I I II: I I i I I I I I I

h II1 I I : I I

...-. ГТ

i I

i: 0 M I I f I i I 1 ; i 1 (П 0 I с IЧ s i i и 1 ; 1 I I: j 11 ; 1 0 ; и 10

д I 0 I 0 I 0 П I 0 0 1 0 1 0 1 I 1 i i 1 i 1 I 1 I i

rn

Фиг.2

5

г: ин

Н - 1 Н /1 Н /1 I-р Н / 1

м Г Г. Г 1

PUZ.J