Устройство для измерения частоты сигналов Советский патент 1981 года по МПК G01R23/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ

Устройство относится к 1ЩФРОВОЙ технике и предназначено для использования в системах автоматизации науч ных исследований и в автоматизированных системах управления на основе ЭВМ Известны устройства для измерения частоты сигналов путем счета импульсов на фиксированном интервале времени, содержащие генера-тор эталонной частоты, формирователь временных интер валов, входной формирователь, ключевую , счетчик импульсов и блок управ схему D. ления Недостаток известньк устройств заключается в ограниченных функциональных возможностях и низкой точности из мерения . Наиболее близким к предлагаемому устройству является цифровое устройст во для обработки сигналов частотных датчиков, содержащее входной формиров тель, блок ключей, счетчик импульсов, генератор эталонной частоты, фО1 миро. ватель временных интервалов и блок управления L2.J. Недостатком устройства является невозможность его использования в современных системах с многофункциональным назначением отдельных элементов и потеря точности вследствие старения информации, если приемное устройство оказывается занятым к моменту окончания очередного измерения. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей при одновременном повышении точности устройства. Эта цель достигается тем, что в устройство для измерения частоты сигналов, содержащее последовательно соединенные входной формирователь, блок ключей и счетчик импульсов, последовательно соединенные генератор эталонной частоты, формирователь временных интервалов и основной блок управления, первый выход которого подключен к втоому входу формирователя временных интервалов, третий вход которого соединен с вторым выходом основного блока управления и с вторым входом счетчика импульсов, введен дополнительный блок управления, первый вход которого соединен с четвертым входом формировате ля временных интервалов, при этом вто рой вход дополнительного блока управления подключен к третьему входу счет чика импульсов, пятый вход формирователя временных интервалов соединен с вторым входом блока ключей, третий вход которого подключен к второму выходу формирователя временных интервалов . На фиг. I представлена схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема блока 13 управления; на фиг. 3 схема анализа точности; на фиг. 4 и 5 - вид рассчитанных вспомогательных функций, определяющих точность. Устройство содержит генератор 1 эталонной частоты-импульсов, формирователь 2 временных интервалов, входной формирователь 3, блок 4 ключей, счетчик 5 импульсов, блок 6 управления, образующих известную конфигураци измерителя 7 частоты, входную клемму устройства, выходной разъем 9, управляющие входную и выходную клеммы 0 и 11 устройства соответственно. При необходамости разъем 9 и клеммы 10 и 11 управляющих сигналов могут быть со единены с внешним устройством, например с ЦВМ. Чтобы расширить возможности 3Т1равления устройством, а также повысить коэффициент использования оборудовани в него введен дополнительный управляю щий вход 12. Кроме того, в устройстве введен дополнительный блок 13 управления, причем его первый вход соедине с внещним управляющим входом 14 и с двунаправленным внешним управляющим входом 15. При этом управлянндие входы 12, 14 и 15 могут подключаться и к внешнему устройству, например к ЦВМ. В общем случае структурная схема выполнения блока 13 управления может иметь вид, представленный на фиг. 2. Этот блок содержит блок 16 управления и две симметричные группы блоков: групповые элементы 17 и 18 или блоки 19 и 20 хранения кода и четыре группы элементов 21-24, блок 16 упра ления имеет один вход, соединенный с внешним управляющим входом 14 и че тыре выхода, причем первый выход под ключен к соединенным между собой управляющим входам элементов 21 и 23, а второй И третий выходы - к управЛякщим входам элементов 22 и 24 соответственно. Двунаправленные входы блоков 19 и 20 хранения кода подключены к первым информационным входам элементов 21 и 23 соответственно, вторые информационные входы-выходы элементов 21 и 23 подключены соответственно, через групповые элементы 17 и 18 к двунаправленным входам блока 2 формирования временных интервалов и счетчика 5. Другие входы-выходы групповых элементов 17 и 18 через группы элементов 22 и 24 соединены с внешним входом 1 5. Следует отметить, что, когда в качестве внешнего устройства используется ЦВМ,функции блоков 19 и 20 могут выполнять ячейки ОЗУ, а функции остальных узлов блока 13 - схема управления ЦЖ. Работа устройства может проходить в трех режимах, а именно в режиме обычного измерения частоты, в режиме измерения частоты с прерыванием и в режиме использования счетчиков устройства в качестве универсальных регистров общего назначения. Работа в режиме обычного измерения частоты происходит следующим образом. Сигналы на управляющих входах 12, 14 и 15 отсутствуют и дополнительный управляющий вход 12, а также блок 13 управления не влияют на работу устройства. Цикл работы устройства начинается б появления сигнала Пуск на управлякщем входе 10. По этому сигналу блок 6 управления вырабатывает импульсный сигнсШ сброса, который, поступая с первого выхода блока 6 на вторые входы формирователя 2 временных интервалов и счетчика 5, приводит их в исходное состояние. С некоторой задержкой, достаточной для выполнения указанных действий, на втором выходе блока 6 управления возникает сигнал, запускаклций схему формирования фиксированного временного интервала в блоке 2 которая работает по принципу счета эталонных импульсов, поступающих от генератора 1. Одновременно на первом выходе блока 2 формирователя временных интервалов появляется сигнал, разрешающий прохождениеИмпульсов, сформированных входным формирователем 3 через блок 4 к первому входу счетчика 5. Формирователь 2 временных нитервалов, отсчитав заданное число эталонных импульсов, снимает сигнал со своего первого выхода, закрывая таким образом блок 4 и прекращая счет сформированных входньк импульсов счетчиком 5. Одновременно на втором выходе формирователя 2 временных интервалов возникает сигнал, извещающий блок 6 управления от окончания счета. Блок 6 управления формирует и выдает на внешний выход 11 устройства сигнал Готов, который извещает об окончании цикла измерения и о наличии сформированного выходного кода на разъеме 9.

Работа в режиме измерения частоты с прерыванием происходит следующим образом. .

Начало работы в этом режиме ничем не отличается от обычного режима работы. После получения сигнала Пуск со стороны внешней клеммы 10 блок управления, приведя в исходное состояние формирователь 2 временных интервалов и счетчик 5, запускает формирователь 2 временных интервалов. В свою очередь формирователь 2 временныхинтервалов выдает управляющий сигнал на блок 4, разрешая таким образом счет сформированных входных импульсов счет чиком 5. При необходимости прервать при - остановить процесс измерения внешнее устройство, например ЦВМ, присылает блокирующий сигнал на управляющий вход 12. Этот сигнал, поступая на вход блока 4 и на вход формирователя 2 временных интервалов, запрещает на все время своего существования прохождение и счет импульсов, как сформированных из входного сигнала, так и от генератора 1. При этом.текущее состояние счетчика 5 и счетчика в схеме формирования временных интервалов сохраняется, так что после снятия сигнала с управляющего входа 12 отсчет временного интервала и счет сформированных входных импульсов возобновляется с прерван ного состояния (с точностью до фазы/. Заметим, что появление и снятие блокирующего сигнала на входе 12 до запуска устройства со стороны входа 10 никакого эффекта не вызывает. Появление запускающего сигнала на входе 10 во время наличия блокирукнцего сигнала на входе 12 подготавливает с помощью блока 6 управления запуск формирователя 2 временных интервалов и счетчика 5, сбрасывая их в исходное состояние, но фактически начало измерения при этом производит лишь снятие блокирующего сигнала на входе 12. .

Работа в режиме использования счетчиков устройства в качестве универсальных регистров общего назначения происходит следующим образом.

Этот режим является дальнейшим развитием предьщущего режима работы предлагаемого устройства. В состоянии прерывания счетчик 5 и счетчик эталонных импульсов в формирователе 2 временных интервалов фактически бездействуют в то время, как они могли бы вьтолнять другую полезную работу в качестве .универсальных регистров общего назначения. С этой целью после перевода устройства в .режим прерывания с помощью включения блокирующего сигнала на вход 12 внешнее устройство ( или ЦВМ ) подает дополнительный сигнал на управляющий вход 14. Под воздействием этого сигнала блок 13 управления организует пересылку и запоминание текущего состояния счетчика 5 и счетчика из формирователя 2 временных интервалов, используя для этого дополнительные двунаправленные линии связи с этими блоками. Затем по этим же линиям и. с использованием своих внутренних схем блок 13 управления подключает указанные счетчики к внешнему устройству в качестве универсальных регистров общег.о назначения. (Под воздействием сигнала со входа 14 блок 16 уп;равления выдает импульсный сигнал со своего первого выхода на разрешакицие входы элементов 21 и 23, что обеспечивает запись кодов из формирователя 2 и счетчика 5 в блоки 19 и 20. Затем сигнал на первом выходе блока 16 снимается и в определенной последовательности вьщаются разрешающие сигналы на управляющие входы элементов 22 и 24, организуя таким образом двусторонний обмен кодами с внешним устрой- ством ЦВМ Через разьем 15). По окончании необходимь х операций возвращение к обычному режиму счета происходит в следующей последовательности. Внешнее устройство (ЦВМ ) снимает сигнал с управляющего входа 14, при этом блок I3 управления восстанавлиает состояние счетчика 5 и счетчика в формирователе 2 временных интерваов fзакрывая элементы 22 и 24 и отрывая на некоторое время элемены 21 и 23). Затем внешнее устройстВО (с необходимой задержкой снимает блокирующий сигнал с управляющего входа 12 и устройство возвращается в режим ( ожидания запускающего сигнала или измерения, из которого оно было выведено по прерыванию. При использовании прерывания результирующая точность исйользуемой информации, подготовленной устройством, возрастает. Известно, что устаревшая информация теряет свою ценность. Для рассмат риваемого устройства этот общий эффект может быть оценен количественно Если оказывается, что к моменту окончания преобразования устройство, для которого предназначалась информация, свободно, то она немедленно используется. Если же устройство занято на время Тз то на такое же время ус таревает информация и при ее использовании ( вместо желаемого сигнала} возникает некоторая ошибка. В том случае, когда после начала процесса преобразования выясняется, что к концу преобразования устройство приема информации будет занято и процесс пре образования прерывается (приостанавливается) на время занятости приемника информации, возникает ошибка относительно желаемого сигнала, однако возникающая ошибка оказывается меньше , чем в первом случае.. Схема анализа приведена на фиг.З. В общем случае сигнал на выходе преобразователя описывается уравнением свертки YCi)-r(-c)x(t-t:)(3tr, (1) где x(t) - входной сигнал, h(t) - весовая функция (линейного) динамического преобразователя. Мгновенная погрейиость динамического канала оценивается разностью )()-4.(t), (2) где Ужи) - выходной желаемый сигнал; 4i(t) - выходной сигнал -t-го канала . Для стационарного случайного сигнала x(t) математическое ожидание (-t)-0 , а дисперсия погрешности с учетом (1 ) определяется как -4Y(t)j-2JY Ct),tMjY; t)j (c))d€.rK,(tr)R, (t)dt f3) где М j j- знак математического ожидания;8 К (t) ковариационная функция сигнала X(t); взаимная корреляционная функция весовых функций (t), h:(t), пределяемая как ,-,,(гш Для оценки точности двух цепей весомыми функциями h(t), ) от- . осительно сигнала на выходе желаемоо оператора h(t) можно сравнить дисерсии сигналов ошибки, описываемьга ыражением (З) -ff.4 |к,х (t),t, «-«tab.4 -44«(,, Для желаемого преобразования Ix, (t) имеет вид ) j H/paO:St T 0 вне этого интервала Для случая, когда по окончании работы преобразователя полученный отчет используется спустя время Tj, для определения Ж.1ХОДНОГО сигнала по формуле (1 ) достаточно положить )) -iipaT t $т-+Тз о вне этого интервала Наконец, если спустя время после ачала преобразования оно было превано на время Т л и затем продолжено, о весовая функция преобразователя моет быть описана как -И/заО ЪйТ-Л ( -hpaT-«-VX i T4T3 О вне этих интервалов. Выполняя интегрирование в ( 4 ) в соответствии с пределами изменения переменных в (б)-(в), например, для случаяТ X ,можно получить ,,(j (9К о вне этих интервалов f()., TOV ),,, YO-)u,i$fc -c+T 1- T-5 € r T-X; t/ tc-T-A -ST-ST-A- T, 4 (-1+ --) . - T%SC0 вне этих интервалов С-Тг -о Y) ) Я/нх, Т -С « Т + Тз 0 вне этих интервалов : i+-Y- l /H -Т Г -Л-, (-i- r) -К/л -Л Г -Л-ГГ (t) W ) - ° %;к111 fO--) V Osr:5T3, 0-) . -:p T-A, -ъТ r Т+Тя, -1+ . Т- l+Гг -c «Tv о вне этих интервалов Вид рассчитанных зависимостей и их разности показан на фиг. 4 и 5. Разности, заключенные в каждую из ква ратных скобок выражения (5), характеризуются совершенно одинаковыми фигурами, TciK что результат их интегрирования определяется затухающим характе ром ковариационной функции , с весом которой они интегрируются. Фигурны ОАВС и DEFG, а также OHKL и MNPQ попарно повторяют друг друга с точностью до зеркального отражения относительно оси абсцисс и сдвига вдоль нее на Т-Я-на фиг. 4 и иа Д-Т на фиг. 5. Дополнительной особенностью указанных фигур является одинаковая высота всех трапеций и равный наклон их боковых сторон; наличие сим метричного отражения вдоль оси ординат на фиг. 4 компенсируется удвоенным весом второй квадратной скобки в выражении (5 ). С учетом указанного для распространенного класса сигналов экбпо310 функцикорреляционнойнендиальной ей г -dlCl к. интегрирование в { 5) дает л « Чц№-ш 1 .2С 1-е-1 -ч У$„„,СОе (4) .(. --2aJ -e f Из сравнения последних соотношении следует, что при всех как вьфажение в квадратных скобках, так и интеграл в выражении 0) всегда больше аналогичных компонент в KJргокении ( 5) ,для Т|2 Л -- J в(.15) начинает превьшать соответствующий интеграл в (14), но выражение в квадратных скобках, как и все выра-. жение (14) в целом по прежнему превышают результат (15). При этом, как следует из (5), всюду оказывается, что . Таким образом, при использовании прерывания на время занятости приемного устройства среднеквадратичное отклонение результата от желаемого сигнала меньше (лучшей, чем при задержке на то же время измеренного ранее сигнала. Формула изобретения Устройство для измерения частоты сигналов, содержащее последовательно соединенные входной формирователь, лок ключей и счетчик импульсов, поледовательно соединенные генератор талонной частоты, формирователь вреенных интервалов и основной блок упавления, первый выход которого подклюен к второму входу формирователя вреенных интервалов, третий вход котороо соединен с вторым выходом основноII8го блока управления и с вторым входом счетчика импульсов, о тлич ающее с я тем, что, с целью расширения функционадьныхвозможностей при одновременном повьшении точности, в него введен дополнительный блок управления первый вход которого соединен с четвертым входом формирователя временных интервалов, при этом второй вход дополнительного блока управления подключен к третьему входу счетчика импульсов, пятый вход формирователя вре

Й 3 менных интервалов соединен с вторым входом ключей, третий вход которого подключен к второму выходу формирователя временных интервалов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Измерения в электронике. Справочник под ред. Доброхотова Б.А. т.2« М.-Л., Энергия, 1965, с. 25. 2.Авторское свидетельство СССР № 657363, кл. G 01 R 23/00, 1976 (прототип).

KZ

/5

0Г

Фиг. Z

Фиг.З

|/ йжйие;

хГх