Измеритель времени переходного процесса установления частоты Советский патент 1980 года по МПК G01R29/02 H03K13/20 

Изобретение относится к технике автоматического измерения диналтаческих параметров различных объектов и может быть использовано для. измерё ния времени переходного процесса сигт налов с частотно-импульсной модуляцией. Известно устройство для измерения времени переходного процесса установления частоты, содержащее реверсивный счетчик, входы которого через пер вый и второй ключи и соответствукщиё формирователи подключены к источникам исследуемой и опорной частоты, а выход соединен с входом триггера, управ ляющего первым и вторым ключами, устройство усреднения, устройство сравнения с источником peгyлиpye югo опор |ного напряжения на одном входе и циф ровые часы, вход которых соединен с выходом устройства сравнения, второй вход которого через устройство усреднения подключен к выходу триггера 1 Недостатком этого устройства является низкая точность измерения из-за неоднозначности отсчета времени окончания переходного процесса. Цель изобретения - повышение точности измерений кратковременных перв ходных процессов установления частоты посредством усреднения последовательно получаемых результатов измерений. Для этого в предлагаемый измеритель времени переходного процесса установления частоты введены второе устройство усреднения, регистратор и блок управления, два выхода которого соединены соответственно с входами установки нуля. и единицы триггера, а его два входа соединены соответственно с управЛЯК4ЦИМИ входами превого и второго к.пючей, при этом третий вход блока управления подключен к выходу реверсивного счетчика, а его четвертый вход соединен с входом стартового импульса цифровых часов, выход которых через второе устройство усреднения подключен к входу регистратора. На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма работы известного измерителя при кратковременном апериодическом переходном процессе, время установления которого составляет несколько периодов исследуемой частоты; на фиг. 3 - аналогичная временная диаграмма для предлага емого измерителя; на фиг. 4 - времен ная диаграмма, характеризующая зависимость погрешности измерений от вре мени задержки стартового импульса. Устройство содержит формирователи сигналов 1 и 2 измеряемой эталонной частоты, первый 3 и второй 4 ключи, реверсивный зчетчик 5,; триггер б, первое устройство усреднения 7, элемен сравнения 8, цифровые часы 9, источник 10 регулируемого опорного нап$ яжения, блок управления 11, йтоpoei устройство усреднения 12 и регис ратрр 13. Известный измеритель обеспечивает необходимую точность измерения време ни переходного процесса установления частоты при монотонной зависимости вре|мени установления и значительной длительности. В этом случае погрешность измереНИИ не з&висит от начального состоя ния триггера. После подачи питания нач альное состояние триггера может быть произвольно, но дальнейшее его с тойние подчинено жесткой логике. Однако к моменту последующих изме рений состояние триггера опять будет произвольно, что влияет на погрешнос из1|1 ерёнйя кра тковремённых пе еходнызЬ процессов установления частоты известным измерителем. :Поясним сказанное с помседью фиг. ;На фиг. 2а показан апериодический ле еходнОй процесс входного сигнала на фиг. 2б - переходной процесс установления исследуемой частоты на фиг. 2в - импульсы эталонной часто ы fgy ; на фиг. 2г - сигнал на вых де :триггера б, если счет импульсов начинается с исследуемой частоты f.на фиг. 2д - сигнал на выходе тригге ра, если счет импульсов реверсивным счфтчиком 5 начинается с эталонной частоты f при числе импульсов пере .поЛнения, равном двум; на фиг. 2е и - результат измерения длительности переходного процесса для двух следую щих один йа другим случаев измерения в первом случае, начиная с момента измерения исследуемой частоты, а so втором эталонной частоты; на фиг.2 ff Старт поступающий на - импульс цифровые часы. Из приведенных фиг. 2е, ж видно, что для двух логических состояний триггера имеются два различных результата измерения времени переходно го процесса установления частоты. При измерении кратковременных переходных процессов известный измери тель дает значительную погрешность. В предлагаемом измерителе точ ность иэкюрений увеличена благодаря усреднению получаемых интервалов вре мени (см. фиг. 2е и ж). Предлагаемый измеритель работает следующим образом. Исследуемая частота времени установления переходного процесса, которой требуется измерить, поступает через формирователь 1 и ключ 3 на вход реверсивного счетчика 5, на вход которого поступает также эталонная частота fg через формирователь 2 и ключ 4. Ключи 3 и 4 управляются разными выходами триггера 6. В произвольный момент времени быть открыт только один из ключей 3 или 4 в зависимости от уровня выходного сиг-нала триггера 6. Последний изменяет свое состояние при приходе.на его :;четный вход импульса переполнения с выхода ревб рсивного счетчика 5 или при приходе на его раздельные входы сигналов с выходов блока управления II. В зависимости от начального состояния тригг€ ра 6 реверсивный счетчик 5 йросчитывае Т каждый раз до своего переполнения либо импульсы исследуемой частоты, либо импульсы эталонной частоты. В результате на выходе триггера 6 образуется последовательность широтно-модулированных импульсов, длительность которых зависит от исследуемой частоты, а промежутки времени между ними постоянны и определяются постоянством эталонной частоты. После усреднения последовательности широтно-модулированных импульсов на выходе устройства усреднения 7 получается постоянное напряжение, значение которого однозначно зависит от их исследуемой частоты. При монотонном изменении исследуемой частоты значение этого напряжения также монотонно изменяется. При достижении исследуемой частотой заданного значения, соответствующего окончанию времени установления переходного процесса, напряжен-ие на выходе устройства усреднения 7 достигает соответствукадего уровня источника опорного напряжения 10, После этого срабатывает элемент сравнения 8 и выдает стоп-импульс на цифровые часы 9 и блок управления 11, разрешаетций переброс триггера б в состояние, противоположное первоначальному. Цифровые часы запускаются в момент начала переходного процесса, поэтому после прихода стоп-импульса они останавливаются, выдавая в устройство усреднения 12 импульс длительности переходного процесса установления частоты, который фиксируется регистратором 13. Перед началом измерения блок управления 11 анализирует состояние вы ;ходных уровней триггера 6. Первый импульс перешолнения с выхода реверсивного счетчика 5 запрещает блоку управления 11 анализ состояния триггера 6. При этОм в блоке управления 11 запоминается начальное состояние триг.гера 6 и подготавливается команда на его переброс. Вьщача команды осуществляется после прихода.импульса разрешения с выхода элемента сравнения 8 после окончания первого цикла измерения времени переходного процесса. После переброса триггера 6 в состояние, противоположное первоначальному, измеритель готов к проведению следующего цикла измерения, задаваемэго стартовым импульсом по входу цифровых часов 9.

Измерения проводятся попеременно, начиная либо с частоты fx, либо с частоты f37 го исключает, неоднознаность отсчета времени окончания переходного процесса установления частоты. На выходе устройства усреднения 12 накапливается информация об усредненном значении времени переходкого процесса за все циклы измерения, котрая регистрируется регистратором 13.

Точность измерения может быть повышена, если реверсивный счетчик 5 выполнить с регулируемым переполнением, в этом случае измерение време(Ни переходного процесса проводится аналогично для каждого значения переполнения.

При измерениях значение эталонной .частоты может быть меньше или больше заданного установившегося значения исследуемой, частоты, от разных частотных датчиков. В этом случае, чтобы не подстраивать источник эталонной частоты можно осуществить регулировку опорного уровня источника опорного напряжения 10, проградуировав его органом регулировки в значениях частоты. Тогда перестройка измерителя при смене частотных датчиков: сведется лишь к повороту ручки до заданной отметки на- шкале регулировочного органа источника опорного напряжения 10.

Работа устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг. 3.

На фиг. За показана кривая переходного процесса; на фиг. 36 - переходной npduecc установления исследуемой частоты fX; на фиг. Зв - импульсы эталонной частоты fg-,- ; на фиг. Зг - сигнал на выходе триггера, если .счет импульсов реверсивным счетчиком ;5 начинается с исследуемой частоты на фиг. Зд - сигнал на выходе триггера, если счет импульсов реверсивным счетчиком начинается с этсшонной частоты фиг. Зе и ж - пр {межуточный для предлагаемого измерителя результат измерения длительности ,перехо;цного- процесса установления частоты для двух следующих один за другим случаев измерения: в первом случае, начиная .с момента измерения исследуемой частоты, а во втором эталонной частоты с выхода цифровых часов 9; на фиг. 3 и - стартовый им(пульс, поступающий на блок управлеПия цифровыми часами 9; на фиг.З зконечный усредненный результат измерения длительности переходного процесса установления частоты на выходе второго устройства усреднения 12.

Сна фиг. 2 и 3 обратный переходный процесс не показан).

Из сравнения временных диаграмм работы на фиг. 2 и 3 видно, что к моменту додачи стартового импульса триггер б может находиться в одном из двух логических состояниях i

(см. фиг. 2г,д и Зг,д) .

О

и

Если к моменту подачи импульса Старт триггер 6 находится в положении Ч, то счет импульсов реверсивным счетчиком 5 начнется с исследуемой частоты f (см. фиг. 26 и Зб) При этом сигнал на выходе триггера 6 соответствует эпюрам на фиг. 2г и Зг а измеренная цифровыми часами 9 длительность переходного процесса соответствует точке t на фиг. 2е и Зе.

Если к моменту подачи стартового импульса триггер б находится в положении О , то счет импульсов реверсивным счетчиком 5 начнется с эталонной частоты fg-r (см. фиг. 2в и Зв).. При этом сигналы на выходе триггера 6 соответствуют эпюрам 2д и Зд, а измеренная цифровыми часами 9 длительность переходного процесса соответствует точке t, (см. фиг. 2ж и Зж) .

Из изложенного видно, что для двух логических состояний триггера получают два различных результата измерения времени переходного процесса установления частоты, соизмеримого с несколькими периодами исследуемой частоты, как при измерении известным, так и предлагаемым измерителями. Однако ДЛЯ известного измерителя результат измерения t. или t.j является конечньм результатом, а для предлагаемого - промежуточными результатами измерения, которые затем усредняются вторым устройством усреднения 12. Конечный результат измерения времени переходного процесса установления частоты показан на фиг. Зз.

Погрешность измерений в значитель.ной мере зависит от синхронизации стартового импульса с логическими уровнями установки начального положения триггера и с импульсами исследуемой, частоты.

В предлагаемом измерителе старто-. вый импульс формируется только после установки триггера в надлежащее состояние, окончания регистрации длитель1ности переходного процесса регистраJTopOM 13 и окончания обратного переходного процесса. Этим устраняется элемент случайности в выборе начального состояния триггера и решается задача временного расположения стар-. тового импульса с логическими уровня

toi установки начального положения Триггера.

В предлагаемом измерителе подача стартового импульса синхронизируется передним фронтом импульсов исследуемой частоты с регулируемой задержкой у т.е. синхронизация по переднему фронту осуществляется со сдвигом на величину t/h после каикдых двух измерений,, где ТГ время задержки синхронизации

п - число пар измерений..Время эа держки С должно быть в нескрлько раз меньше периода исследуемой частоты и Ьыф1рается из конкретных условий схемной реализации источника стартового импульса (на фиг. 1 не показан),

|3ависимость погрешности измерений от ремен задержки синхронизации показ|ано на фиг. 4.

Иа фиг... 4г, д приведены диаграммы сигналов на выходе триггера 6, на коTopfcix несколько последовательных цикЛОВ: измерения расположены один под друЛгим, причем начала переходных процессов совмещены (для наглядности). Услрвно считают, что отсчет времени переходного процесса заканчивается. при| достижении импульсами г , д опр1еделенной длительности. Следовател ьно, изменяя задержку синхронизации стартового импульса относительно переднего (заднего) фронта импульса исс|педуемой частоты на величину t И в дву|х: ближайишх циклах измерения, получ}ают различные значения времени перехОдного процесса (точки t, t , t t,, на фиг.4з).. Точкам)Ц- t могут соответствовать значения измеренного времени переходного процесса в. известном измерителе. Точке соответствует результат измерения предлагавмым измерителем.

: В известном измерителе, в котором не предусмотрена синхронизация стартового импульса с логическими уровнями установки начального положения TpHrrepaj и с импульсами исследуемой ;частоты, может произойти случайная синхронизация стартового импульса по ;пер:еднему или по заднему фронту им;пулъса измерения со значительной ошибкой и тем самым может создаться види:мость достоверности результата .(методическая ошибка).

В прбздлагаемом измерителе введение синхронизации стартового импульс относительно переднего или заднего фронта импульса исследуемой частотк позволяет уменьглить вероятностную и исключить методическую ошибки измере,ния.

Для исключения методической ошибки в пред;.агаемом измерителе каждый последующий импульс Старт через устройство управления 11 леребрасывает триггер 6 в противоположное предыдущему состояние. Например, на фиг Зд видно, что после подачи стартового импульса триггер 6 находится в том же состоянии, что и в предыдущем цикле измерения. При этом устройство управления 11 перебрасывает триггер 6 в противоположное состояние (см. на фиг. Зд точка t.j| ) . Если после подачи Стартового импульса триггер 6 находится в противоположном ггред1дцущену состоянии, то переброса триггера не происходит.

Предложенный измеритель повышает точность измерения кратковременных переходных процессов 6-8 раз.

Формула изобретения

Измеритель времени переходного процесса установления частоты по авт. св № 505127, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения кратковременных переходных процессов установления частоты посредством усреднения последовательно получаемых результатов измерений, в него введены второе устройство усреднения, регистратор и блок управления, два выхода которого соединены соответственно с входами установки нуля и единицы триггера, а его два входа соединены соответственно с управляющими входаг« Н первого к второ-го ключей, при этом третий вход блока Управления подключен к выходу реверсивного счетчика, а его четвертый вход соединен с входом стартового KV;дтульса цифровых часов, выход KOToptJX через второе устройство усреднения подключен к входу регистратора.

t.o

0.9

a

in

.f

M

.0

Старт

иг.г