Способ измерения периода сигнала и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК G01R23/00 G04F10/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано, например, при обработке сиг налов с фотоэлектрических преобразо вателей. Известен способ измерения времен ного интервала,.заключающийся в сра нении входного сигнала с заданным пороговым уровнем, (1юрмировании в момент пересечения сигналом уровня импульсов начала и конца интервала, подсчете импульсов образцовой часто ты в течение Времени, ограниченном импульсами начала и конца интёрва Ч - Данный способ имеет низкую точность, обусловленную наличием ошибки (|юрмирования импульсов начала и конца интервала из-за нестабильности порогового уровня. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения периода квазигармонического сигнала путем квантования импульсами образцовой частоты интервала времени между двумя ближайшими переходами сигнала через фиксированный уровень, фиксации вслед за моментом пересечения основного уровня, моментов пересечения дополнительных, возрастающих друг за другом, фиксированных уровней, увеличении при первом пересечении каждого возрастающего уровня частоты квантования на значение образцовой частоты, уменьшении при повторном пересечении каждого возрастающего уровня частоты квантования на значение образцовой частоты, подсчете количества импульсов квантования изменяющейся часто-1 2.Недостатком данного способа является невысокая точность измерения периода, обусловленная наличием ошибки измерения из-за нестабильности нулевого уровня и амплитуды входного сигнала. Наиболее близким к изобретению по технимеской сущности устройством является цифровой инфранизкочастотный периодомер, содержащий схему сравнения, цифроаналоговый преобразователь, счетчик, блок управления, два триггера, генератор образцовой частоты, управляемый умножитель частоты, блок счета и ключи 3J. Недостатком данного устройства является невысокая точность изменения периода, обусловленная наличием ошибки измерения, вызванной нестабильностью нулевого уровня и амплитуды входного сигнала. Цель изобретения - повышение точности измерения.периода за счет исключения ошибки измерения, обусловлен ной нестабильностью нулевого уровня и амплитуды входного сигнала. Поставленная цель достигается тем что согласно способу измерения период сигнала путем квантования имоульсами образцовой частоты интервала времени между двумя ближайшими переходами сигнала через фиксированный уровень, фиксации вслед за моментом пересечения основного уровня моментов пересечения дополнительных возрастающих дру за другом фиксированных уровней, уве лимении при первом пересечении каждо го возрастающего уровня частоты кван тования на значение образцовой часто ты, одновременном подсчете количеств импульсов квантования изменяющейся частоты, вслед за фиксацией моментов пересечения дополнительных, возраста ющих друг за другом уровней фиксирую моменты пересечения дополнительных, -убывающих друг за другом фиксированных уровней, увеличивают от нуля час тоту квантования на значение образцовой частоты при первом пересечении каждого убывающего уровня, при повг торном пересечении каждого возрастающего уровня и повторном пересечении каждого убывающего уровня, одновременно подсчитывают число пересеченных сигналов уровней, количество импульсов квантования образцовой частоты в интервалах времени между моментами пересечения сигналом основного верхнего убывающего уровней, между моментами пересечения верхних возрастающего и убывающего уровней, и по их значению определяют значение периода. В устройство, состоящее из блока сравнения, цифроаналогового преобразовате я, счетчика, блока управления, двух триггеров, генератора образцовой частоты, блока счета, и управляемого умножителя частоты, вход которого подключен к выходу генератора образцовой частоты, вход которого соединен с выходом первого триггера, вход установки нуля которого соединен с выходом блока сравнения и суммирующим входом счетчика, выход кода которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с первым входом блока сравнения, а выход передачи заема связан со счетным входом второго триггера, выход которого подключен к счетному входу первого триггера, а выход управляемого умножителя частоты соединен со счетным входом блока счета, при этом второй вход блока сравнения связан с выходом блока управления, дополнительно введены три блока счета, блок вычислений, блок сравнения, триггер и одновибратор, выход которого соединен с входами управления основного и первого и второго дополнительных блоков счета, первые и вторые управляющие входы третьего дополнительного блока счета и дополнительного триггера поключены соответственно к выходам основного и дополнительного блоков сравнения, выход дополнительного блока сравнения соединен с входом вычитания счетчика, выход заема которого и два выхода дополнительного триггера связаны с тремя соответствую цими входами запуска одиовибратора, выход которого соединен с входом блока вычислений, информа;ционные входы которого соединены с выходами блоков счета, при этом счетные входы второго и третьего дополнительных блоков счета соединены с выходом генератора образцовой частоты, счетные входы первого дополнительного блока счета связаны с выходом основного и дополнительного блоков сравнения, первый вход второго блока сравнения подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, а его вход управления соединен с выходом блока управления, причем выход первого дополнительного блока счета связан с управляемым умножителем частоты. На фиг. 1 изображена временная диаграмма, поясняющая предлагаемый способ, где 1а - входной сигнал, на-, ложеиный на ceTky уровней, 16 - значение масштаба, IB - импульсы разделения интервалов времени; на фиг. 2, функциональная схема предлагаемого устройства. Сущность способа заключается в следующей последовательности операций. Пересечение фиксируется сигналом основного уровня. Основной уровень выбирается выше уровня шумов, сопровождающих сигнал. Интервалы времени квантуют импульсами образцовой частоты (при измерении размеров в качестве импульсов образцовой частоты могут быть использованы сигналы е датчика линейного перемещения), вслед за моментом пересечения основного уровня фиксируют моменты пересе чения дополнительных, возрастающих друг за другом фиксированных уровней (расстояние между уровнями выбирается большим, чем удвоенная амплитуда шумов, наложенных на,сигнал). При тервом пересечении каждого возраста(вцего уровня увеличивают частоту КБа квантования на значение образцовой частоты (интервал времени 0-1,фиг.1 Подсчитывают число пересеченных сигналом уровней а.. . Текущее значение результата при этом может использоваться для управления коэффициентом увеличения частоты. Подсчитывают количество импульсов квантования измен ющейся частоты а. и количество импульсов квантования образцовой часто ты в интервале времени между момента ми пересечения верухних, возрастающег и убывающего уровней, т. е. определя ют значение элл . Вслед за фиксацией моментов пересечения дополнительных, возрастающих друг за другом уровней фиксируютмоменты пересечения дополнительных, уб ваилцих друг за другом ({н ксированных уровней. Каждый убывающий уровень со ответствует возрастающему фиксирован ному уровню. Например первый убывающий соответствует предпоследнему возрастающему, последний убывающий, предшествующий основному, соответствует первому возрастающему. Таким об разом, общее число убывающих уровней на единицу меньше числа возрастающих При пересечении каждого дополнительного убывающего уровня увеличивают от нуля частоту квантования на значение образцовой частоты (интервал времени 1-2, фиг. 16)подсчитывают количество импульсов квантования изменяющейся и образцовой частоты в интервале.времени между пересечением верхнего убывающего и основного урова также количество квантования образцовой частоты в интервале времени между пересечением первым задним и вторым передним фронтом сигнала основного уровня а (интервал времени 2-3, фиг. 1в). Вновь фиксируют пересечение си1- налом основного уровня, вслед за моментом пересечения основного уровня фиксируют моменты пересечения дополнительных, возрастающих друг за другом фиксированных уровней. При повторном пересечении каждого возрастающего уровня увеличивают от нуля частоту квантования на значение образцовой частоты (интервал времени 3-, фиг. 16). Подсчитывают число пересеченных сигналом уровней, количество импульсов квантования измеряющейся и эталонной частот е интервале времени между пересечением сигналом основного и верхнего убывающего уровня а и а, количество импульсов квантования эталонной частоты в интервале времени между пересечением сигналом верхних возрастающих и убывающего уровней э.; фиксируют моменты повторного пересечения дополнительных, убывающих друг за другом иксированных уровней; увеличивают от нуля частоту квантования на значение образцовой частоты при пересечении каждого убывающего уровня (интервал времени k-S, фиг. 16); подсчитывают количество импульсов квантоваия изменяющейся и эталонной частот в интервале времени между пересеченим сигналом верхнего убывающего и осовного уровней а и а.. Значение периода определяют ло ормуле -S. зл-д44 аас). Q%t Ca,))9) IT - где q - отношение длительностей задего и переднего фронтов сигнала. При этом значение задается согласо априорным данным по отношению длиельностей переднего и задних фронтов игнала. Устройство состоит из блоков 1 и сравнения, блока 3 управления. цифроаналогового преобразователя Ц, счетчика 5, триггеров 6 и 7, генератора 8 образцовой частоты, управляемого умножителя 9 частоты, блоков 10-13 смета, триггера 14, одмовибратора 15 и блока 16 вычислений. Блоки 1 и 2 сравнения могут быть выполнены в виде последовательно соединенных сумматора, порогового элемента, преобразователя уровня, элементов логики и одновибратора. Управляемый умножитель 9 частоты может быть построен либо как генератор пачки импульсов (число импульсов в пачке равно числу, код которого выставлен на управляющем управ ляемого умножителя частоты), либо как делитель периода входных сигналов на заданное, число. Устройство работает следующим образом. В начальный момент счетчик 5, триггеры 6, 7 и 14, блоки счета 1013 установлены в нулевое состояние. Напряжение цифроаналогового преобразователя равно нулю. По сигналу с блока 3 управления, блоки 1 и 2 срав нения подключаются к входу устройства, на который подается измеряемый сигнал. Уровни сравнения выбираются по формулам с, Oex-Vn и и. - и Сг где U и и уровни сравнения блоков 1 и 2 сравнения соответственно; и - величины входного напряжения и напряжения с цифроаналогового пр образователя k; (f - величина по модулю кванта цифроаналогово го преобразователя k При Ug (Г (основной уровень) срабатывает блок 1 сравнения, содержимое счетчика 5 увеличивается на ед ницу, таким образом, уровни сравнени сдвигаются до значений 2S и О, содер жимое блока 10 увеличивается до единицы, задавая коэффициент управляемо го умножителя частоты равным единице триггер 6 устанавливается в единично состояние и разрешает работу генерат ра 8 образцовой частоты, импульсы с которого поступают в блоки 12 и 13 счета и через управляемый умножитель 9 частоты в блок 11 счета. При пересечении последующих возрастающих уровней коэффициент умножения увеличивается, блок 13 счета каждым импульсом совпадения обнуляется, таким образом, содержимое его соответствует по выходу регистра числу импульсов квантования образцовой частоты, подсчитанному в йнтервале времени от предпоследнего до последнего пересеченных уровней. При первом срабатывании блока 2 сравнения, что соответствует пересечению верхнего убывающего уровня (фиг. 1, момент времени 1) содержимое счетчика 5 уменьшается на единицу, сдвинув вниз уровни сравнения, триггер 14 переключается, запуская одновибратор 15 который обнуляет блоки счета 10, 11 и 12, блок 16 проводит обмен данными, при этом числа на регистровых выходах счетных блоков 10, 11 и 12 соответствуют числу пересеченных возрастающих уровней а , числу импульсов квантования возрастающей а , основной а j частот в интервале времени между первым пересечением сигналом основного и верхнего убывающего уровней и с блока 13 счета - числу импульсов квантования основной частоты а . в интервале времени между верхним возрастающим и убывающим уровнями. После обнуления в блок 10 счета записывается единица, это достигается тем, что импульс обнуления вырабатывается одновибратором 15 по переднему фронту импульса с блоков 1 и 2 сравнения, а блок 10 счета увеличивает свое содержимое на единицу по заднему фррнт импульса с блоков 1 и 2 сравнения. При пересечении последующих уровней процесс счета повторяется, при появлении заема на выходе счетчика 5, который соответствует содержимому счетчика 5, равному единице, срабатывает одновибратор 15, обнуляя счетные блоки 10, 11 и 12 и индицируя обмен блока 16 с ними, таким образом получают величины 2, з. триггер 7 переключается в единичное состояние, счетчик 5 обнуляется. При повторном пересечении основного уровня процессы обмена и счета повторяются. При повторном появлении импульса заема с выхода счетчика 5, триггер 7 переключается в ноль и перебрасывает по счетному входу триггер 9 6 также в ноль. Процесс счета прекр ,1дается. Полученные данные использую ся в блоке 16 для расчета величины периода по формуле (1). Величина q вводится предварительно. Таким образом, предлагаемый способ и устройство по сравнению с из вестными позволяют повысить точност в три раза. Повышение точности измерения периода обусловлено компенсацией ошиб ки отсчета периода по передним фрон там сигналов, ошибкой отсчета по задним фронтам, Введение новых операций в способ и новых элементов с их связями в уст ройство позволяет компенсировать ошибку измерения периода сигнала, обусловленную нестабильность нулевого уровня, амплитуды сигнала. С помо щью предлагаемых способа и устройства снижаются требования к стабильности параметров входных сигналов и дрейфу параметров элементов схемы. Формула изобретения 1. Способ измерения периода сигна ла путем квантования импульсами образцовой частоты интервала времени между двумя ближайшими переходами сигнала через фиксированный уровень фиксации вслед за моментом пересечения основного уровня моментов пересе чения дополнительных, возрастающих друг за другом фиксированных уровней, увеличении при первом пересечении каждого возрастающего уровня частоты квантования на значение образцовой частоты, одновременном подсчете количества импульсов квантования изменяющейся частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, вслед за фиксацией моментов пересечения дополнительных, возрастающих друг за другом-уровней, фиксируют моменты пересечения дополнительных, убывающих друг за другом фиксированных уровней, увеличивают от нуля частоту квантования на значение образцовой частоты при первом пересечении каждо го убывающего уровня, при повторном пересечении каждого возрастающего уровня и повторном пересечении каждого убывающего уровня, одновременно подсчитывают число пересеченных сиг1налов уровней, количество импульсов квантования образцовой частоты в интервалах времени между моментами пересечения сигналом основного, верхнего убывающего уровней, между моментами пересечения верхних возрастающих и убывающего уровней, и по их значению определяют значение периода. 2. Устройство для измерения периода сигнала, состоящее из блока сравнения, цифроаналогового преобразователя, счетчика, блока управления, двух триггеров, генератора образцовой частоты, блока счета и управляемого умножителя частоты, вход которого подключен к выходу генератора образцовой частоты, вход которого соединен с выходом первого триггера, вход установки нуля которого соединен с выходом блока сравнения и суммирующим входом счетчика, выход кода которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с первым входом блока сравнения, а выход передачи заема связан со счетным входом второго триггера, выход которого подключен к счетному входу первого триггера, а выход управляемого умножителя частоты соединен со счетным входом блока счета, при этом второй вход блока сравнения связан с выходом блока управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены три блока счета, блок вычисления, блок сравнения, триггер и одновибратор, выход которого соединен с входами управления основного и первого и второго дополнительных блоков счета, первые и вторые управляющие входы третьего дополнительного блока счета и дополнительного триггера подключены соответветстаенно к выходам основного и дополнительного блоков сравнения, выход дополнительного блока сравнения соединен с входом вычитания счетчика, выход заема которого и два выхода дополнительного триггера связаны с тремя соответствующими входами запуска одновибратора, выход которого соединен с входом блока вычислений информационные входы которого соединены с выходами блоков счетца, при этом счетные входы второго и третьего дополнительных блоков счета соединены с выходом генератора образцовой частоты, счетные входы первого дополнительного блока счета связаны с выхоn93дом основного и дополнительного блоков сравнения, первый вход второго блока сравнения подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, а его вход управления соединен с выходом блока управления, причем выход первого дополнительного блока счета связан с управляемым умножителем частоты. 1 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Дворятин Б. В.Кузнецов Л. И. Радиотехнические измерения. М., Советское радио, 1978, с. . 2.Авторское свидетельство СССР № 568902, кл. G 01 R 23/00, 1977. 3.Авторское свидетельство СССР № 47398 4, кл. G F 10/0, 1975.

Г t 3 ФигА

Фиг.2