Устройство для определения повторяющихся временных интервалов Советский патент 1974 года по МПК G06F17/18 

1

Изобретение относится к области импульсной техники, а именно к устройствам для определения повторяющихся временных интервалов и может быть использовано в тех областях техники, где необходимо измерение иовторяющихся интервалов времени или других величин, которые преобразуются во временной интервал, ианример, в фазовых измерениях, при измерении электрического нанряжения, тока, темнературы и т. и.

Известны устройства для измерения повторяюи1,ихся временных интервалов, основанные иа методе носледовательного счета, нониусном стробоскопическом и других методах. Особый интерес нредставляют устройства, основанные на методе статистических испытаний (методе Монте-Карло), применяюп.1иеся для измерения иовторяющихся временных интервалов, преимущественно малой величины.

Они содержат генератор случайного нотока, логический блок для выявления случаев попадания хотя бы одного случайного имнульса на измеряемый интервал, вентили, счетчик числа благонриятных исходов, формирующую схему, схему уиравления, схему сброса и счетчик числа испытаний. Это устройство отличается от других известных устройств тем, что не налагает ограничений на характер потока змеряемой информации, имеет боль9

1ИИЙ диаиазон измерения и ие содержит быстродействующих узлов.

Однако применение двух счетчиков значительной емкости и специальной схемы управлепия, необходимой для жесткой синхронизации работы всех узлов, усложняет устройство и уменьщает его надел-спость, особенно прн наличии номех.

Цель изобрете1И1я - повышенне надежности и точности работы устройства.

Это достигается иутем исиользовання двух логических блоков для выявлеиия совиадений измеряемых и случайных импульсов и блока измерепия разности интенсивностей (ВИР) случайных импульсных иотоков, а в качестве генератора случайного нотока (ГСП) используется ГСП с регулнруемой иптенсивностью (средией частотой).

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для измерения иовторяющихся временных ннгервалов; на фнг. 2 иоказано вероятностное распределение простейшего импульсного ногока; на фнг. 3 - временная диаграмма, пллюстриру1он1,ая работу устройства.

Блок-схема содержит генератор 1 случайного потока импульсов; источ И1к 2 иотока импульсов, длительность которых иодлежпт измеренню; логнческнй блок 3, служао пй для выявления случаев отсутствия попадания случайных импульсов на измеряемый временной Интервал; логический блок 4, выявляющий случаи попадания ровно одного импульса на измеряемый интервал; блок 5 измерения разности интенсивностей случайны х импульсных потоков; 6 - 9 - логические схемы «И совпадений; дифференцирующие цеии 10 и 11; логические схемы 12 и 13 запрета; цепи 14 и 15 задержки и триггеры 16, 17 и 18. Генератор случайного потока и источник потока импульсов измеряемой длительности подключены к входам логических блоков 3 и 4, а выходы последних блоков - к входам блока 5 измереиия разности интенсивностей. Логический блок 3 содержит схему 6 совпадения, к входам которой подключены геиератор 1 н источник 2 измеряемых иитервалов. Выход схемы 6 через схему 12 запрета связан с одним из входов триггера 16, выходы которого подключены к схеме 12 запрета и к одному из входов схемы 7 совпадения. Выход схемы 7 соединен с первым входом блока 5. К второму входу схемы 7 подключен выход дифференцируюи1ей цепи 10, который одновременно через цепь 14 задержки, связан с вторым входом триггера 16, а вход схемы 10 подключен к источнику 2 измеряемых интервалов. К входам схемы 8 совпадения подсоедннены генератор 1 и источник 2. Выход схемы 8 через схему 13 занрета подключен к одному из входов триггера 17, выходы KOTOjioro соеднне(П;1 с входом триггера 18 (выход которого нодключен к второму входу схемы запрета 13) н к одному из входов схемы 9 совнаде1Н1я, выходом связанной с вторым входом блока 5. К второму входу схелгы 9 нодключег выход диффереинирую1цсй нени 11, который однов)еменио через цепь 15 задержки иодключеи к вторым входам триггеров 17 н 18, а вход схемы 11 нодключеи к источпнку 2. Принцин действия устройства основан на следующих математических соотношениях. Предполагают, что случайный импульсный поток, создаваемый генератором 1, является стацнонарным простейшим (пуассоиовскнм) потоком. Для такого потока вероятность попадания ровно /// импульсов этого потока иа некоторый заданный интервал временитопределяется соотно1нением где т 0, 1, 2, 3, ...; )- - плотность (интенсивность, средняя частота) нростейшего етациоиариого потока. Интервал времени т в выражеиии (I) полагают равным нзмеряемому временгюму иитервалу. Для наглядиости на фиг. 2 показан график зависимости Ят-: /(,-)..,.„„,.| в соответствии с выражением (1), где /.,- вероятность попадания ровно т случайных импульсов на измеряемый интервал времени (т (, 1, 2, 3...); /V - средняя частота случайного потока; т - измеряемый интервал. На графике наблюдается следуюн1,ая закоомерность: точки иересечения смежных крй ых (соответствующих смежным значениям п) соответствуют целым значениям аргумента : , причем точке пересечения некоторой прозвольной k-й кривой с (k-I) кривой (иначе точке равенства вероятностей Р/ и }- k(k 1, оответствует значение , ...). Исходя из выражения (1), для т k н k - 1 получают: (Лт)-1 (ii 1,2,3,...) При сравненнн выражений (2) н (3) видно, то равенство функций (2) и (3) имеет место при k. На основе этого может быть осуществлено измерение времеииого интервала. Полагая зиачеиие - в выражениях (2), (3) и (4) фиксированным и равным измеряемой величине, путем регулирования интенсивности случайного потока л добиваются равенства выражеиий (2) и (3) р р k. k-,. Далее находят искомый време1нюй пнтервал------ (А 1, 2, 3, ...)(6) /1,ля иостроеиия измерительного устройства может быть использован более нриицин равенства ироизвольиой нары вероятностей р,. н .--/л7 ( /г ; /7), нанример /Jo-, , н /;з,. , и т. н. Это видно из фиг. 2: любая кривая нересекается не только со смежной, но и ео всеми другими кривыми семейства, и точкам пересечения однозначно соответствуют вполне онределенные значения аргумента /-Т , а следовательно и т . Анализ показал, что в дагнюм случае можно повысить точность измере1И1я. Однако с точки зрения простоты техннчес(ой )еализации целесообразнее испо.чьзовать сл)чай смежиых вероятностей /;, и Ph,Поскольку невозл ожно привести схему устройства д;1я и|)оизвольного значения параметра k, сохранив достаточную ясность и коикретность, приведена схема, соответствуюн1ая /г 1. Схема работает следуюни-1м образом. На входы логических блоЕсов 3 и 4 от генератора I иОлТ.ается стациоиар и)Ш нростейший случайный иоток коротких импульсов (о - импульсов). В геиераторе 1 предусмотрена возможиость плавной регулировки интенсивности /- потока. На другие входы блоков 3 н 4 от источника 2 поступает поток прямоугольиых импульсов, длительность которых т нодлежпт измереиию (в зависимости от конкретной схемной реалггзации утот поток .может быть представлен непосредственно измеряемыми времеппымь ннтерваламп, задаваемымп коротки.мп нмпульсалгн).

Ма фнг. 3 прпведепа времепная диаграмма работы устройства, где:

и - сигнал на выходе генератора случайного потока;

и - импульсы измеряемой длительности;

Uz - сигнал на выходе логического блока 4;

Un - сигнал на выходе логического блока 3. Поток Uz может быть пропзвольно регулярным или случайиым, причем требование его стационарности пе является обязательным. Пусть средняя интенсивность этого потока равна АИ. Если за время действия очередности из.меряемого к пульса потока U-i иа вход блока 3 ие поступает ни одного случайного импульса потока и от генератора 1 (если на измеряемый интервал не попадает ни одного случайпого импульса), то по окончании этого интервала на выходе блока 3 возникает импульс. Блок 4 формирует нмнульсы на своем выходе в тех случаях, когда иа измеряемый интервал попадает ровно один случайный импульс. Блок 3 работает следуюн1нм образом (т 0).

Поток имнульсов от генератора 1 ностунает на вход схемы 6 совпадений, а па другой ее вход от источшжа 2 подается поток импульсов измеряемой длительностн. Еслн за время очередного нзмеряемого импульса не пришло ИИ одного имнульса от генератора 1, на выходах схем 6 и 12 cигнav a ие возннкает, и триггер 16 остается в исходном состоянии, при этом высокий потенциал («1) его правого плеча присутствует на входе схемы 7 в течение всего временн действия измеряемого интервала. В момент окончания последнего дифференцирующая цепь 10 формирует импульс, который ноступает иа второй вход схемы совпадения 7; поскольку иа ее первом входе присутствует «1, на выходе схемы 7, т. е. на в 5|ходе всего блока 3, возникает сигнал, свидетельствующий о том, что на данный временной интервал не попало ни одного случайного имнульса.

Если в течеиие действия нзмеряемого интервала с генератора 1 ирнходнт однн (нервый) импульс, на выходе схемы 6 возннкает снгнал, проходяни1Й через нормально открытую схему 12 запрета на вход триггера 16 и приводянии; его в другое устойчнвое состоя1П1е. При этом потенциал на его правом плече и иа входе схемы 7 становится пнзким («О), н 1мнульс, поступающий с диффереицнруюиин цепи 10 иа второй вход схемы 7 в момент окончання измеряемого интервала, ие ироходит иа выход схемы 7 (и всего блока 3).

В момеит перехода триггера 16 в другое устойчивое состояиие высокий потенциал елевого плеча поступает на второй вход схемы 12 запрета, что исключает возможность прохождепия сигиалов на вход счетчика триггера 16 в том случае, если на измеряемый интервал

попадает оольше одного импульса от генератора 1. Задний фронт из.меряемого имнульса с выхода схемы 10 через цепь 14 задержки устанавливает триггер 16 в исходное состояпне, подготавлнвая схе.му блока 3 к приходу следуюн1,его нзмеряемого нмнульса (схема задержки необходима для того, чтобы нсключнть возможность нсчезиовення инфорлгацин о состоя1 ии триггера в мо.мент окончания нзмеряемого имиульса).

Работа блока 4 нроисходнт следуюн1им образом (т- 1).

Структура блока 4 н логика его работы аналогичиы блоку 3. Отличие состоит в добавлении еще одного триггера 18 (который вместе с нервым триггером 17 образует двухразрядный счетчик) и соответствую1це; H3N eHeHHn некоторых связей между элемента.ми. Еслн за время действня нзмеряемого интервала иа входе схемы 8 совнадения на второй ее вход ие приходит ин одиого имнульса от генератора I, па выходе схемы 8 сигнала ие возникает, и счетчик остается в исходном состоянин. Прн этом низкий иотенцнал («О) с левого нлеча трнггера 17 прнсутствует на входе схемы 9 в течение всего времени нзмеряемого ннтервала. Вследствне этого задний фронт пмнульса нзмеряемой длительностн, который ностунает с выхода диффере1ни1рующей ценн 11 на второй вход схемы 9 ие проходит иа выход схемы 9 (выход всего блока 4).

Если за измеряемьн интервал нрнход1гг один (иервый) случайный нмнульс, на )ыходе схемы 8 возникнет сшнал. который ностунает через открытую схему 13 на вход триггера 17 и иеревод1гг его в другое устойчивое состоянне. Прн этом высокнй нотенциал, возникццн на левом нлече триггера 17, подается на вход схе.мы 9, что нозволяет за.чнему фронту измеряемого нмиульса иройти на выход схемы 9.

В случае, когда за время paccMaTpimaeNioro нзмеряемого имнульса (интервала) приходит второй импульс от генератора 1, на выходе схемы 8 появляется второй и.миульс, который, пройдя через схему 13, переводит триггер 17 к исходиое состояние, а триггер 18-R новое состоя1Н1е (в счетчике фиксируется число 2), При это.м иа лево.м плече триггера 17 (на входе схемы 9) вновь возннкает ннзкпй иотеициал, что исключает возможность появления сигна.ча на выходе блока 4 но окончании нзмеряемо1Ч) Н1ггервала.

Одновременно высокнн потенциал с левого нлеча триггера 18 ностунаег иа второй (занреН1аюн1ий) вход схел1Ы 13, и нрохожденне имнульсов с выхода схемы 8 иа счетчик невоз.можно в том случае, если в течение нзмеряемого ннтервала с генератора 1 иостуиает третий, четвертый и т, д. имнульсы.

Цепь 15 н связн, обеспечиваюн1ие сброс счетчика, фуикцноинруют также, как н п блоке 3.

В обгце.м случае (для пронзвольного in k) схема логического блока должна содержать счетчнк емкостью . ,, k + 1, дешифратор

7 кода, разрешающий прохождение импульса на выход, если в счетчике записано /г имиульсов, и схему запрета, блокирующую вход счетчика, если в нем фиксируется k + 1 имиульс. Таким образом, на выходах блоков 3 и 4 образуются имиульсиые нотоки, случайные ио моментам ноявле1 ня нмнульсов (фиг. 3). Средние иитенсивиостн этих иотоков составляют:; -U Л,т ч-ч,/.л /-3 - интеисивиость иотока на выходе блока 3; /-4 - средняя интенсивность нотока иа выходе блока 4; /.„- средняя иитеисивиость иотока измеряемых имиульсов. /Л,,7 PI.---вероятность ионадаиия соответственно О и 1 случайного имиульса на измеряемый иитервал. Вычитая выражение (8) из выражения (7), иол уча ют: /,,--),,--./,,{Я,,.- Я,, О , (9) откуда р„. формулы (10) следует, что разность рассматриваемых вероятностей и -Pi,ироиорциональиа разности средних интенснвностей АЗ и }. нотоков на выходах логическнх блоков 3 и 4. Отсюда вытекает, что условие равенства вероятностей (5) выиолняется в том случае, когда становится равной нулю разность И1ггеисивиостей /,;,-/., -О(11) Разность интеисивиостей фиксируется с помон1ью блока 5. Плавно регулируя велнчииу иитеисивиости-иотока от геиератора 1, иодбнрают такое значение А, нри котором блок 5 фиксирует равенство интеисивностей (11) ногоков иа выходах блоков 3 н 4. При этом выполняются соотношения (4) н (5), и величииа измеряемого интерва.та времени наход1ггся в соответствии с формулой (6) из выражения Шкала геиератора может быть отградуирована в единицах -, либо иеиосредственно в единицах измеряемой величииы т. Как следует из выраження (6), значение /е люжет быть выбраио равиым любому иатуральиому числу (кроме /г 0). Коикретное значение k определяется норядком измеряемой величниы и возможными пределами регулнроваиия интенсивности/. потока от генератора 1. Поскольку нредлагаемое устройство нанболее эффективно при измерении малых времеииых иитервалов, нецелесообразно выбирать слишком большие значения /г, так как это требует увеличе8ння ннтеиснвиости /.. Кроме того, увеличеине k усложняет структуру логическнх блоков 3 и 4. В качестве блока измерения разности иитеисивиостей 5 в устройстве целесообразно нснользовать схему, достоинством которой является независимость иогрешиости измерения от величины измеряемой разностн интенснвностей. Это особенно важно для даниого устройства, где требуется не измерять разность вообще, а оценивать малые отклонення этой разностн от нуля. Условием «уравиовешиваиия устройства (равеиства соответствующих вероятностей и иитеисивиостей) является соотношенне (4). Это выражение ие содержит /. - И1ггеисивиости иотока изл еряемых времеииых нитервалов. Отсюда следует важный ирактический вывод, что эта HirreiicHBiiocTb может быть непостояииой, т. е. иоток, задающий измеряемые интервалы, может быть иестацноиарным. В частном случае, когда этот ноток является регулярным (что нрактически часто имеет место), к стабильностн частоты (/.;, / ц) иотока ие иредъявляется жестких требоваиий. Следует обеспечить только достаточио большое значение иитеисивностн -„, поскольку последняя, как это видно из выра ке1П1я (9), онределяет чувствительность работы устройства: чем больше /.ц, тем больше разность ннтеисивностей иа входе блока 5, вызва1И1ая задаиной разностью вероятностей. Из ириицииа работы нредлагаемого устройства следует, что время измерешш не является жестко фиксироваинь м, как это нмеет место в известном устройстве. Необходимое средиее время измерения, обесиечивающее точность, оиределяется выбором интенсивности /.ц и ностоянной времени блока 5. В устройстве отсутствуют элементы, обесиечивающис жесткую сннхроннзацию его работы устройства (схема управления, вентили, счетчик числа испытаний и т. и.), иеобходимые в прототине. Пренмуи;еством устройства ярляется также уменьп1еиие требоваиий к стабильиости интенсивности случайного нотока от геиератора 1. Постоянство/. должно быть обеснечеио лишь иа время нзмереиня, которое нрн измерении малых интервалов достаточно мало (может ие нревышать 0,1 - 1 сек). Таки.м образолг, нростейн1ий ноток от геиератора 1 дол/кен быть стационарным лниJЬ иа ограиичениых интервалах времеин. Это существенно унроИ1,ает коиструкцию геиератора. Кроме того, для предлагаемого устройства характерна независимость методической иогрешиости измерения от величины нзмеряемого ннтервала времени. Этн нреимунхества устройства достигаются не за счет усложнения конструкции, а в результате иного ирипципа иостроения, позволяклцего существешю упростить коиструкцию устройства. Как иоказалн нсследовариш, устройство обладает достаточно высоки.ми метрологическими характеристиками. Так, измерение временных интервалов в диапазоне - 1,1 - 10 мксек может быть выполнено с относительной погрешностью 3-: 0,5% (надежность 96,0%), при этом время измерения в указанном диапазоне изменения интервалов составляет t,i3M 00,6 - 6 сек (при условии, что скважность измеряемого потока Q 2), а интенсивность случайного потока регулируется в пределах/, 10 1/сек.

Предмет изобретения

Устройство для определения повторяющихся временных интервалов, содерл ащее геиератор случайного потока импульсов, логический блок, источник потока измеряемых интервалов, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и точности работы устройства, оио содержит блок измерения разности иитенсивностей и дополнптельиый логпческий блок, первый вход которого подключен к источнику потока измepяe rыx интервалов и к первому входу логического блока, второй вход которого соединен с генераторов случайного нотока и с вторым входом дополнительного логического блока, выходы логических блоков подключены к блоку измерения разности интеисивпостей.

tlJULU

„tL.

L

I

I

L

i

I I j I

1

i