Цифровое устройство для измерения отношения двух частот Советский патент 1982 года по МПК G01R23/02 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть применено для построения цифровых измерителей частоты, периода и отношения частот. Известно устройство для измерения отношения двух частот, содержащее блок управления, формирователи, счетчики и элементы И СП. Данное устройство имеет ограниченную точность, так как позволяет определять лишь целочисленную часть измеряемого отношения. Наиболее близким к предлагаемому устройству является цифровой частотомер в режиме измерения отношения частот, содержащий блок управления, элемент И и формирователь коротких импульсов 23. Недостаток указанного устройства обусловлен низким быстродействием, так как значение отношения двух час-i тот 1южег быть получено только по окончании измерительного интервала времени. Цель изобретения - повышение быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в цифровое устройство для измерения отношения двух частот, содержащее счетчик результата, блок управления, основной элемент И и формирователь коротких импульсов, вход которого соединен с первой входной шиной устройства, а выход - с сигнальным входом основного элемента И, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления, введены генератор опорного периода, блок сравнения кодов, блок вычитания, блок вентилей, умножитель, коммутатор, четыре счетчика и три дополнительных элемента И, первый и второй формирователи периодов, причем выходформирователя коротких импульсов подключен к входу первого формирователя периодов, выход которого подключен к управляю9щему входу первого дополнительного элемента И, выход-которого подключен к входу первого счетчика, а сигнальный вход первого дополнительного элемента И соединен с выходом генера,тора опорного периода, с сигнальными входами второго и третьего дополнительных элементов И, выход которого соединен с управляющим входом второго счетчика, а управляющий вход - с выходом второго формирователя периода, вход которого подключен к второй входной шине устройства, а управляющий вход второго формирователя периода соединен с управляющим входом первого формирователя периода и с вторым выхддрм блока управления, третий выход которого подключен к управдяющим входам третьего и четвертого счетчиков и коммутатора, четвертый выход блока управления подключен к управляю щему входу блока вентилей, второй вход - к выходу формирователя коротких импульсов, третий вход - к выходу блока сравнения кодов, первый выход блока управления соединен с управляющими входами основного и второго дополнительного элементов И, выход которого подключен к счетному входу тре тьего счетчика, выходы которого соеди нены с первыми входами блока сравнения кодов, вторые входы которого соединены с первыми входами блока вычитания и выходами второго счетчика, ус тановочные входы которого соединены с выходами блоки вентилей, входы кото рого подключены к выходам блока вычитания, вторые входы которого соединены с выходами умножителя, первые и вторые входы которого подключены соответственно к выходам первого и четвертого счетчиков, счетный вход последнего .соединен с выходом основного элемента И и входом коммутатора, выходы которого подключены к входам счетчика результата. На чертеже приведена структурная схема устройства. Устройство состоит из формирователя 1 коротких импульсов, первого формирователя 2 периода, первого дополнительного элемента 3 И, генератора Ц опорного периода, второго и третьего дополнительных элементов 5 6 И, второго формирователя 7 периода, второго счетчика 8, блока 9 сравнения кодов, третьего счетчика 10, блока 11.вычитания, брока 12 вентилей, умножителя 13, первого и четвертого счетчи 4ков , 15, основного элемента 16 И, коммутатора 17, счетчика 18 результата и блока 19 управления. Для получения результата измерения отношения частот с индикацией результата необходима длительность полного измерительного интервала, равная пТл (п || - число, равное десяти в целой степени). Этот интервал используется нерационально. Например, 0,1 используется для получения информации о всех значащих цифрах результата, кроме последней, а для получения информации о последнем знаке результата требуется затратить 0,9Т,э.Аналогично ДЛЯ получения информации о всех значащих цифрах результата, кроме двух последних значащих Цифр, необходимо время 0,01 Т,з„ ,0 всех значащих цифрах результата, кроме трех последних значащих цифр, - 0,001 Т тд. Раздельное определение значащих цифр результата существенно сокращает время формирования окончательногорезультата. Предположим, что измеряется отношение частот F 2319,52 Гц, (Т 1/F 31,12368 мкс) и Fi Гц (TT. 183,68623 мкс) с погрешностью 10 Точное значение отношения F,/Fr2 2319,52:5 5 ,25б. Для получения такого результата в известном устройстве необходимо подсчитывать число периодов сигнала F за время, равное 1000 периодов сигнала. На измерение отношения F i/Fij с указанной точностью должно быть затрачено время Т«зм 10 ,3 мкс л 1,8 с. В известном устройстве результат измерения может быть получен только по окончании измерительного интервала, т.е. через 1, с. В предлагае юм устройстве для определения величины отношения частот прежде всего производят измерение длительности периода Т исследуемой частоты F . При использовании генератора k опорного периода с частотой f 100 МГц (То„ 1/Fgn 0,01 мкс) в временном интервале Т укладывается 311236 периодов счетных импульсов. Поскольку квантование периода Т производится сигналами от источника счетных импульсов с периодом 0,01 мкс, то результат измерения длительности периода Т it31,12. Первый (i 1) временной измерительный интервал формируется длитель595ностью Tn, причем начало его привнаывак т к началу очередного периода частоты F. Если привязать начало этого интервала к началу очередного периода частоты Fri, то в интервал Tij уложится Nj.4 183,8623 : ,12368 4 ,.2559998 периодов частоты F . Поскольку каждый импульс представляет собой целый период, то подсчитанное число М 1 будет равно , Второй ( 2) временной измерительный и„,,Г„„,р™.р,егс, как умнохенная на 10 разность между предыдущим Т, временным интервалом и произведением предыдущего подсчета длительность периода частоты F, :Сбгласно сказанномуТи 7. (И-1 Сч-1 0 ,-,-,,, - , . -- X 10 (183,,12) X 10 1103,80 мкс. В этих расчетах использованы не полные действительные значения и Т, а лишь их приближенные значения (коды), взятые с точностью до соtыx долей микросекунды. Это обусловлено принятым предположением, что генератор опорного периода вырабатывает сигналы с частотой РОП 100 МГц, т.е. с периодом Т 1Aijn 0,01 мкс. ; Следовательно, подсчет каких-либо интерралов с точностью, лучшей, чем 0,01 мкс, будем считать невозможным. Формирование кода этого временного интервала не займет много времени, так как на определение кода периода можно использовать первый из числа подсчитываемых периодов частоты Р . Определение произведения Т,-Г рсущест вляют в самом процессе подсчета числа периодов Т, , используя последовательное формирование кода Т - каждым подсчитываемым сигналом из числа tl. Таким образом, произведение 1л1Д-« может быть получено в момент завершения интервала Т„ В этот же момент может быть получен и код разности ,если для формирования разности использовать параллельное суммирование при вводе в сумматор вычитаемого в обратном коде. Умножение кода разности на 10 можно осуществлять без дополнительной затраты вреМАНИ. ЛПЯ иргп ппгтятг имп rhnnMunnaa-Ti. мени, ДЛЯ чего достаточно формировать ;код разности со сдвигом на один десятичный разряд. Таким образом, код второго времен,ного измерительного интервала может 66 быть получен уже в конце первого временного интервала, Поскольку длительность Т раьна 1103,80 мкс, то в этот интервал укладывается Нсчг 1103,,12363 25602861 периодов частоты Р., как каждый импульс представляет собой целый период, то подсчитанное число Рэвно 2. Длительность третьего (1 З) временного измерительного интервала рав :;;« Т,1Т.Г2-1,Г.2) 10 ,60 мкс. В этот интервал укладывается N,, ,60 : ,12368 5,6030325 периодов частоты F, , Поскольку начало временного интервала сфазировано с началом периода частоты F , то результат подсчета числа , Т/заинтервал, будет N,,, Длительность четвертого () временного измерительного интервала Т«4 (Тиэ- МсчД-,)0 (,,12)л ,д 2600 мкс. В этот интервал укладывается N 2600,,12368 6,030752 периодов частоты F . Результат подсчета числа периодов Т за интервал будет: 6. На этом процесс измерения можно закончить. Результат измерения формируется следующим образом. Подсчитывают число периодов частоты F - ty,Ncчг каждый из интервлаов Т, Т. мЭ Общий -результат измерения формируется как -сумма E %V-« Ne4a« сц,, . + S-lO 6-1o l,15b. Как видно из расчетов, получен тот «е результат, что и для известного устройства. Нетрудно оценить выигрыш во времени при использовании предлагаемого устройства. Если учесть,.что на вычисление кодов отдельных временных интервалов дополнительного времени практически не требуется, то общая длительность процесса измерения Тг л.. .рТи 1834,86+1103,80+2«15,60+ +2600,0 795,26 мкс f 8 мс. В реальных условиях общее время формирования результата измерения. 95 возможно; будет несколько больше за счет времени, необходимого для перезаписи кода результата вычислений в устройство, формирующее временные измерительные интервалы, за счет ожидания очередного импульса последовательности F, сброса на нуль соответствующих счетчиков и т.д. Но даже если увеличить это время вдвое, т.е. до 16 мс, и то в приведенном цифровом примере может быть получен выигрыш более чем в 100 раз. Как показывает цифровой пример, предлагаемое устройство позволяет существенно повысить быстродействие цифрового измерителя отношения двух частот. ; До начала измерения первый, второй третий и четвертый счетчики Н, 8, 10, 15 и счетчик 18 результата нахо дятся в исходном нулевом состоянии (.цепи установки для упрощения на схеме устройства не показаны), генератор k опорного периода генерирует высокостабильную последовательность импульсов с частотой Fjjq , основной, пер вый, второй, третий идополнительные элементы И 16, 3, 5 и 6 заперты соответствуюи ими управляющими напряжениям Если необходимо провести измерение блок 19 управления вырабатывает на втором выходе разрешающий сигнал, который поступает на -управляющие входы формирователей 2 и 7- С формирователей 2 и 7 периодов подаются разрешающие напряжения на первый и третий эле менты 3 и 6, при этом формирователь 2 формирует импульс длительностью Т 1/F, а формирователь 7 - импульс длительностью Tfj 1/Frj. Первый и третий дополнительные элементы 3 6 под воздействием этих импульсов открываются и начинают пропускать.импульсы с частотой FQJ, нЗ первый и второй счетчики 14 и 8 соответственно. В первом счетчике 1 в результате это го сформируется код периода Т, а во втором счетчике 8 код периода Тг, Как только во втором счетчике 8 начинает формироваться код периода Т ( первый .же импульс частоты F с формирователя 1, поступая на второй вход блока 19 управления, своим спадом вызывает формирование на первом выходе блока 19 разрешающего потенциала, который подается на второй дополнительный и основной элементы 5, 16 И. В ре зультате тре-гий счетчик 10 начинает заполняться импульсами частоты , с 68 генератора 4, а через основной элеент 16 И на четвертый счетчик 15 и через коммутатор 17 на декады целой масти начинают поступать импульсы частоты F . К моменту поступления на четвертый счетчик 15 первого счетного импульса в первом счетчике уже сформирован код периода Т, . В дальнейшем этот код в умножителе 13 перемножается с текущим кодом четвертого счетчика 15, а результат перемножения в блоке 11 вычитания вычитается из кода периода Т, формируемого во втором счетчике В. Формирование этого кода N(Tn) заканчивается, когда прекращается импульс на выходе формирователя 7. Поскольку заполнение третьего счетчика 10 началось позже, чем второго счетчика 8, то код в третьем счетчике 10 продолжает изменяться до тех пор, пока он не сравняется с кодом Ti; во втор.ом счетчике 3- При этом срабатывает блок 9 и под воздействием его сигнала, поступающего на второй вход блок 19 управления запирает второй дополнительный и основной элементы 5 и 16.И. К этому моменту во втором и третьем счетчиках 8 и 10 запи °Д N(T), в первом счетчике 1 код N(T), в четвертом счетчике 15 счетчике 18 результата записано импульсов j соответствующее отношения ,2. в блочастивычитания сформирован код, равNp N(T,j) - N(T) -Nc4iСигналам на четвертом выходе блока 19 управления код Np передается во второй счетчик 8, схема подключения такова, что код первого десятичного разряда с выхода блока 11 устанавливает код второго десятичного разряда второго счетчика 8, код второго десятичного разряда с выхода блока 11 устанавливает код третьего десятичного разряда второго счетчика 8 и т.д. Таким образом, в результате переписи во втором счетчике 8 устанавливается код числа, в десять раз большего. чем число на выходе блока 11. После записи кода lONp во второй счетчик 8 ригналом на третьем выходе блока 19 управления обнуляются третий, и чегве0тый счетчики 10 и 15, а коммутатор 17 подключает к своему сигнальному входу вход декады.десятых долей результата. Схема готова ко второму циклу преобразования. Спад первого же импульса частоты F. с выхода формирователя 1, поступающего на первый вход блока 19 управления, приводит к выработке от пирающего напряжения на втором выходе блока 19 управления, в результате чего второй дополнительный и основной элементы 5 и 1б И начинают пропускать импульсы на соответствующие счетчики. В дальнейшем работа устройства аналогична его работе в пер вом цикле. Работа завершается-после заполнения всех декад счетчика 18 результата. Формула изобретения Цифровое устройство для измерения отношения двух частот, содержаще счетчик результата, блок управления основной элемент И и формирователькоротких импульсов, вход которого соединен с первой входной шиной устройства, а выход - с сигнальным входом основного элемента И, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления, отли чающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены генератор опорного периода, блок сравнения кодов, блок вычитания, блок вентилей, умножитель, коммутатор, четыре счетчика и три допол нит.ельных элемента И, первый и второй формирователи периодов, причем выход формирователя коротких импульсов подключен к входу перво-го формирователя периодов, выход которого подключен к управляющему входу перво дополнительного элемента И, выход которого подключен к входу первого счетчика, а сигнальный вход первого дополнительного элемента И соединен с выходом генератораопорного периода, с сигнальными входами второго и третьего дополнительных элемен8610тов и, выход которого соединен с управляющим входом второго счетчика, а управляющий вход - с выходом второго формирователя периода, вход kOTOpo.ro подключен к второй входной шине устройства, а управляющий вход второго формирователя периода соединен с управляющим входом первого формирователя периода и с вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющим входам треть его и четвертого счетчиков и коммутатора, четвертый выход блока управления подключен к управляющему входу блока вентилей, второй вход - к выходу формирователя коротких импульсов, третий вход - к выходу блока сравнения кодов, первый выход блока управления соединен с управляющими входами основного и второго дополнительного элементов И, выход которого подключен к счетному входу третьего счетчика, выходы которого соединены с первыми входами блока сравнения кодов, вторые входы которого соединены с первыми входами блока вычитания и выходами второго счетчика, установочные входы которого соединены с выходами . блока вентилей, входы которого подключены к выходам блока вычитания, вторые входы которого соединены с выходами умножителя, первые и вторые входы которого подключены соответственно к выходам первого и четвертого счет счетный вход последнего соединен с выходом основного элемента И и входом коммутатора, выходы которого подключены к входам счетчика результата. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР « 300856, кл. G 01 R 23/02, 1971. 2. Мирский Г,Я. Радиоэлектронные измерения, Н., Энергия, 1975, с. 229 (прототип),