Цифровой частотомер Советский патент 1981 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения частоты и периода исследуемого сигнала. Известны цифровые измерители частоты и периода, содержащие электронные ключи, формирующие устройства, генератор образцовой частоты, счетчик и индикатор ClX. Однако такие измерители имеют низ кую точность измерения, обусловленну воздействием шумов на входное формирующее устройство и большую погрешность квантования, вызванную необходимостью использования низкочастотных генераторов образцовой частоты. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является цифровой измеритель длительности периода, содержащий последовательно со диненные генератор образцовой частоты, первый формирователь, счетчик, арифметическое устройство, выполняющее функцию умножителя, сумматор и индикатор, а также второй формирователь, подключенный через реверсивный, счетчик к арифметическому устройству и устройство управления . Недостатком известного измерителя является низкая точность и помехоустойчивость при измерении частоты и периода в присутствии помех. Цель изобретения - повышение точности и помехоустойчивости измерения частоты и периода исследуемых сигналов. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой частотомер, содержащий последовательно соединенные генератор образцовой частоты, первый формирователь импульсов, счетчик импульсов, умножитель и сумматор, а также второй формирователь импульсов, блок управления и индикатор, введены формирователь весовой функции и последовательно соединенные нормализатор и дешифратор, выход которого подключен к входу индикатора,при этом вход формирователя весовой функции соединен с выходом блока управления, вход которого подключен к выходу второго формирователя импульсов, выход формирователя весовой фун кции соединен с вторым входом умножи( теля, третий вход которого подключен к второму выходу блока управления, третий и четвертый выходы последнего соединены соответственно с вторым вх дом счетчика импульсов и с вторым входом сумматора, выход которого под ключен к входу нормализатора. Кроме того, формирователь весовой функции выполнен в виде последовательно соединенных вычитающего счетчика и сумматора, выход которого подключен к выходу формирователя весовой функции, а вход последнес входом вычитающего сче го соединен чика. На чертеже представлена структурная схема цифрового частотомера. Устройство содержит генератор 1 образцовой частоты, формирователи 2 и 3 импульсов, счетчик 4 импульсов, умножитель 5, сумматор 6, блок 7 управления, формирователь 8 весово функции, состоящий из вычитающего счетчика 9 и сумматора 10, нормализатор 11, дешифратор 12 и индикатор 13. Устройство работает следукщим образом. Перед измерением счетчик 9 формирователя весовой функции устанавлива ется на N-число, равное количеству усредняемых периодов. Входной сигнал поступает на формирователь 3 на выходе которого образуется поток импул сов, соответствующих моментам перехода сигнала через нулевой уровень. Эти импульсы поступают на блок 7 управления. С помощью генератора 1 образцовой частоты, формирователя 2, счетчика и блока 7 управления измеряется первый период Т, исследуемо го сигнала. Результат измерения Т-, к концу измеряемого интервала находится в счетчике k. За этот же отрезок времени по команде от блока 7 управления, предварительно записанное в счетчик 9 число N , равное количеству усредняемых периодов, переписывается в сумматор 10. Результат измерения Т,, перемножается в умножителе 5 на весовой коэффициент 0-1 N, сформированный к моменту окончания измеряемого периода формирователем 8 и результат перемножения переписывается в сумматор 6. После измерения Т счетчик устанавливается с помощью блока 7 управления на нуль и осуществляет измерение второго периода TQ исследуемого сигнала. Результат измерения Тг к концу действия измеряемого интервала находится в счетчике 4. За этот же интервал времени по команде от блока 7 управления содержимое счетчика 9 формирователя 8 весовой функции уменьшается на 2.(N-2) и переписывается в сумма10, Результат измерения Тд, находяшийся в счетчике k перемножается в умножителе 5 на сформированный весовой коэффициент Qi, N + (N-2) и результат перемножения переписывается в сумматор 6. Счетчик устанавливается на нуль и осуществляется измерение третьего периода T)j, результат измерения которого, находящийся в счетчике k, перемножается в умножителе 5 на весовой коэффициент Qo N + (N-2) (N - 4) Q (N - 4) и результат перемножения переписывается в сумматор 6. Измерение последуйнцих периодов исследуемого сигнала не имеют особенностей до момента обнуления вычитающего счетчика 9, которое произойдет при поступлении (f-) усредняемого интервала при четномГ1 или до момента, когда в вычитающем счетчике останется записанным один импульс при нечетном п, что будет соответствовать среднему из п усредняемых интервалов. Начиная с этого момента, все последующие весовые коэффициенты формируются на выходе сумматора 10, обеспечивающего сложение содержимого сумматора с содержимым вычитающего счетчика 9 в дополнительном коде, т.е. начинается уменьшение значений весовых коэффици ентов. В результате перечисленных операций с помощью вычитающего счетчика Э и сумматой ТО формируются весовые коэффициенты, значения которых одинаковы для измеряемых периодов равностоящих от начала и конца времени измерения. К концу времени измерения в сумматоре находится взвешенная сумма усредняемой последовательности измеряемых периодов, которая после нормализатора 11 (обеспечивающего умножение на коэффициент 58 k G/n(n + 1)(n + 2)) и дешифратора 12 поступает на индикатор 13. Йайдем алгоритм формирования весовых коэффициентов, обеспечивающий предельное уменьшение дисперсии оценки усредняемого периода (Т) без увеличения времени измерения (Ту,). Для этого исходим из того, что осуществляется измерение п периодов исследуемого сигнала, а оценку среднего значе ния ищем в виде где Т- k результат цифрового измерения i-ro перио да исследуемого CMI нала, находящийся в счетчике ; период повторения им пульсов генератора 1 весовые коэффициенты удовлетворяющие усло вию несмещенности оценки (S el) . В таком представлении результата измерения задача оптимизации сводится к поиску весовых коэффициентов, минимизирующих суммарную погрешность измерения. Измерение каждого i-ro временного интервала (i-ro гтериода) сопровождается погрешностью измерения начала и конца, причем погреш концаi-ro интервала одноностьвременно является погрешностью начала (i+1)-ro примыкающего временного интервала. С учетом жесткой кор реляции этих погрешностей в пределах интервалов Т и Т запишем знамение суммарной погрешности для (1). . лт g 4i-u«) (uft-aa) + ...+ + g«CA«-M (2) гдедуе погрешность измерения начала первого интервала, взятая с весом погрешность измерения конца первого интервала Т ; VSi погрешность измерения начала второго измеряемого интервала Tij и т.д. Выражение (2) перепишем в виде Л Т vgn uaCga.-g-i) (g V-Ss.) ,... ,Лn () -4M/g n Л gl Aitf (g, g,0 -Длн (1) 2 и найдем дисперсию суммарной погрешности по общим правилам - (оЧб V S (g,-H-g.-) ) .дисперсия погрешности измерения одного периода Т- . Произведем оптимизацию весовых коэффициентов g,потребовав минимум выражения (3) . Для этого воспользуемся методом неопределенных множителей Лагранжа, на основании которого составим и определим экстремум функции г и 1 йт (g,-)gVs (g.,-g,, где Я- множитель Лагранжа, подлежащий определению в процессе оптимизации gj. Тогда -|| 4g - Zgj-X О ткуда g ( х/2),а g .V2, Аналогично 4go-2g -2ga- О Рь 1 gl 7 Я/2), ,i-g,-A/2 и т.д. до (g.) о аФ (gO 5gtt-1 откуда Т Cg л g -/2) gy 7 (gn-1 V2). Из полученных соотношений составим выражение для весовых коэффициентов в общем виде через значения g, и g. g- ig.- i(i-1) X/4 (5) gj Зgv -JCJ-I)- /4 Из этих обобщенных выражений видно, что g. или gi одинаково представляются через g и g, а следовательно для i j весовые коэффициенты равны. Это говорит о том, что g gf, и, следовательно, весовая функция симметрична относительно середины времени усреднения. Запишем выражения для весовых коэффициентов из (5) Д ° п11 nfa i T-e средних из серии усредняемых периодов n n 2 - I 0. ( 1) 1 I . I I T T VZ J a учитывая, что g gn и g решим эту систему относительно g. g , в результате получим g, g пЯ/4 Это позволяет записать общее вы ражение (5) в виде g, i (п + 1 - i) Х/4 (6) Определим значение неопределенного множителя Лагранжа из условия несм щенности оценки Т 1 - i) 1 , откуда f/a + 1 - i). (6) в виде Учитывая это, запишем g i(n+1-i)/S i(n+1-i) тдит или учитывая, что 21 пСп+1)/2 и S (n+1)Cn+2 В результате получим значения весо коэффициентов, минимизирующих дисп сию оценки (3) g 6i(n 1 - i) j.o i n(n+1)(n+2) Vi -n(n. 1)1-. 2) Qr it Следовательно, оценка среднего значения периода исследуемого сигн ла будет иметь минимальную погрешность измерения, если весовую обра ботку сигнала производить по алгор му T.zi g.T k-z;q, i(n+i-i , 1 Дисперсия оптимизированного алг ритма (8), найденная по формуле (3 при n 1 .равна 0; ббо/п Дисперсия оценки измерения пери да известного устройства при тех ж j/словиях равней) fl 8 (j /n. Следов тельно, эффективность данного устройства составляет Q3 1C gcbJ/d 1,25дБ или 12,5. С такой эффективностью в предлагаемом устройстве будет уменьшено значение шумовой составляющей, определяющей точность измерения и одновременно погрешность квантования. Одновременное уменьшение этих погрешностей без увеличения времени измерения эквивалентно повышению быстродействия устройства. С такой же эффективностью настоящее устройство может быть использовано для прямого измерения частоты исследуемого си1- нала. Для этого необходимо выход первого формирователя 2 подсоединить ко входу блока 7 управления, а выход второго формирователя 3 подсоединить; ко входу счетчика . Формирователь 8 весовой функции реализует весовые коэффициенты Q i(n -I- 1 - i). Чтобы убедиться в этом рассмотрим пример. Если n 6, то Q, N 6, Q, Q,+ (N-2) 10, Qa QtL- (N-4) 12, Q4 Qa+ (N-6) 12, Q5 Q4 CN-8) 10, Qfe Q5+ (N-10) 6, Для QS и Q(, добавление (N-8) и (N -10) необходимо выполнить в дополнительном коде, т.е. вычесть.Это обеспечивает симметричное дискретное увеличение весовых коэффициентов до середины времени измерения, а затем уменьшение. Для обеспечения несмещенности оценки периода (частоты) по алгоритму (8) необходимо обеспечить нормализацию. Это осуществляется в нормализаторе 11, обеспечивающем умножение полученного результата измерения, находящегося в сумматоре 6 на коэффициент k n(n-H)Cn+2) многих случаях такая операция может быть сведена к смещению запятой в , сторону старших разрядов сумматора. Полученный после нормализации результат измерения после дешифратора 12 поступает на индикатор 13. Формула изобретения 1. Цифровой частотомер, содержащий последовательно соединенные генератор образцовой частоты, первый формирователь импульсов, счетчик импульсов, умножитель и сумматор, а также второй формирователь импульсов блок управления и индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и помехоустой чивости, в него введены формировател весовой функции и последовательно соединенные нормализатор и дешифра тор, выход которого подключен к входу индикатора, при этом вход формирователя весовой функции соединен с выходом блока управлемия, вход которого гюдклюмен к ш 1ходу второго формирователя импульсов, выход формирователя весовой функции соединен с вторым входом у№4ожителя, третий вход которого подключен к второму вы ходу блока управления, третий и четвертый выходы последнего соединены соответственно с вторь м входом счетчика импульсов и с вторым входом сумматора, выход которого подключен к входу нормализатора. 2. Частотомер по п.1, о т л и чающийся тем, что формирователь весовой функции выполнен в виде последовательно соединенных вычитающего счетчика и сумматора, выход которого подключен к выходу формирователя весовой функции, а вход последнего соединен с входом вычитающего счетчика, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе I, Агшаратура для частот адх и временных измерений.- ред. А.Л.Горшкова. Советское радмо, 1971 ,с Лб9. 2. Авторское свидетельство СССР № 61Й29, кл.б 01 R 29/62. Ш8.

5

f