Устройство для измерения частоты и сдвига фазы Советский патент 1982 года по МПК G01R23/02 G01R23/10 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при разработке быстродействующих информационно-измерительных и управляющих систем, цифровых измерительных приборов и мультимеров и т.п..

Известно устройство для измерения частоты следования импульсов, принцип действия которого основан на вычитании из кода наибольшей измеряемой частоты импульсов, частота котоЕялх изменяется обратно пропорционально квадрату времени вычитания 1.

Недостатком его является ограниченная точности из-за недостаточно строго соблюдения обратного закона, по которому должна изменяться частота вычитающих импульсов, а также ограниченные функциональные возможности вследствие невозможности измерения сдвига фазы.

Известно также устройство для измерения частоты и сдвига фазы, содержащее формирователь, связанный входом с первой входной шиной,, генератор опорной частоты, подключенный к первым входам вентиля и ограничителя верхнего уровня, выход которого соединен со вторЬ1м входом вентиля, подсоединенного к одному входу первого умножителя, связанного выходом с первым входом счетчика и с входом первого делителя, подключенного через первый блок формирования коэффициентов умножения к другому входу первого умножителя, при этом второй вход и выход счетчика

10 связаны соответственно с третьим входной и первой выходной шинами 2 .

Однако это устройство имеет низкую точность и ограниченные функ15циональные возможности.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности.

Поставленная цель достигается

20 тем, что устройство, содержащее формирователь, связанный входом с первой входной шиной, генератор опорной частоты, подключенный к первым входам вентиля и ограничителя верх25него уровня, выход которого соединен со вторым входом вентиля, подсоединенного к одному входу первого умножителя, связанного выходом с пер вым входом счетчика и с входом пер30вого делителя, подключенного через

первый блок формирования коэффициентов умножения к другому входу первого умножителя, при этом второй вход и выход счетчика связаны.соответственно с третьей входной и первой выходной шинами; снабжено блоком выделения разностного интервала времени, дополнительным счетчиком, блоком вентилей, сумматором, двумя дополнительнЕЛМи умножителями, вторым делителем, вторым блоком формирования коэффициентов умножения и дополнительным формирователем, подключенным своим входом ко второй входной шине, а выходом - к первому входу блока выделения разностного интервала, второй вход которого связан с выходом формирователя, с вторым входом о-граничителя верхнего уровня и с третьим входом вентиля, выход генератора опорной частоты подключен к третьему входу блока выделения разностного интервала, выход последнего соединен со входом дополнительного счетчика и с первым входом блока вентилей, выход дополнительного счетчика связан с управляющим входом первого Дополнительного умножителя, к выходу которФто подключены тактовый вход сумматора и вход второго делителя, связанного через второй вход формирования коэффициентов умножения с первым входом второго дополнительного уг/1Ножителя, второй вход которого подключен к выходу вентиля, а выход второго дополнительного умйожителя соединен с другим входом первого дополнительного умножителя, причем, выход блока вентилей подключен к кодовому входу сумматора, четвертая входная и вторая выходная шины подключены соответственно ко второму входу блока вентилей и к выходу сумматора.

На фиг.1 приведена диаграмма, поясняющая работу устройства ( а измеряемая частота, б - смещенная частота, в - разностный интервал времени, равный смещению начала периодов измеряемой и смещенной частот, г - импульсы опорной частоты, д - изменение кода остатка - результата вычитания импульсов из кода наибольшей измеряемой частоты, проинтегрированного в разностном интервале времени с частотой опорных импульсов, е - изменение кода остатка результата вычитания импульсов из кода наибольшей измеряемой частоты, ж - период измеряемой частоты); на фиг.2 представлена схема устройст ва.

Устройство содержит формирователи 1 и 2 входных сигналов; генератор 3 опорной частоты; блок 4 выделен .я разностного интервала (времени), не/ггиль 5, счетчик 6, блок 7 вентилей, сумматор 8 кодов, счетчик 9 вычитающий, умножители 10-12, делители 13 и 14 с фиксированным коэффициентомх блоки 15 и 16 формирования коэффициентов умножения, ограничи-i тель 17 верхнего уровня, причем вход формирователя 1 подключен к входной шине 18 ввода измеряемой частоты, а выход - к первому входу блока 4, к первому входу вентиля 5 и к первому входу ограничителя 17. Вход формирователя 2 подкючен к вхоной шине 19 ввода смешанной частоты а выход - ко второму входу блока 4, выход которого связан со входами счетчика 6 и блока 7 вентилей. Выход генератора 3 подключен к третьему входу блока 4, ко второму входу вентиля 5 и ко второму входу ограничителя 17, выход которого подключен к третьему входу .вентиля 5, выход которого соединен со входами умножителей 10 и 11. Выход умножителя 10 соединен со входом умножителя 12, кодовые входы которого подключены к выходам счетчика 6, а выход связан со входами делителя 13 и сумматора 8 кодов, кодовые входы которого подключены к выходам блока 7 вентилей, связанного с входной шиной 20, на кодовых входах которых установлен код наибольшей измеряемо частоты. Выход делителя 13 соединен со входом блока 15. Выход умножителя 11 соединен со входами счетчика подключенного к входной шине 21, и делителя 14, выход которого подключен ко входу блока 16, сумматор 8 связан с входной шиной 22, а счетчик 9 - с выходной шиной 23.

Устройство работает следующим образом.

Выделяется разностный интервал времени (фиг.1, в), соответствующий смещению начала, например i периода измеряемой частоты (фиг.1, а) и начала i периода смещенной частоты (фиг.1, б). В разностном интервале ut времени интегрируют импульсы опорной частоты и код наибольшей измеряемой частоты с частотой опорных импульсов, в результате чего в момент окончания разностного интервала времени фиксируют два результата интегрирования соответственно; utff) и utFoPjJ Q. .С начала следующего (i + 1) периода осуществляют отсчет интервала времени, равного периоду наибольшей измеряемой частоты (фиг.1, ж), с момента окончания которого осуществляют следующие операции. Из кода наибольшей измеряемой частоты вычитают импульсы, которые формируют путем умножения опорной частоты на число, равное разности квадрата и первой степени

разности постоянного числа и числа

вычитающих импульсов, поделенных

с постоянным коэффициентом (фиг.1,

(т - п) - (т )

- fo Кп,

- постоянное число, равное

WAF ;

п О 1 2

п - число вычитающих импульсов, поделенное с постоянным коэффициентом, или равное

др.

в момент окончания периода TX измеряемой частоты фиксируют код остатка F, численно равный измеряемой частоте. Процесс измерения кода остатка в течение периода (фиг,1,е) поясняется следующим численным примером;

5

500 Гц 2000 МКС

90

72

ТООГ 100 100 m 10 ДТ, 111 139 При опорной частоте 1 мГц на первом участке отсчета числа дР 100 благодаря умножению III микросекундных импульсов на коэффициент 90/100 сформируется как раз 100 вычитающих импульсов, после чего осуществляется изменение коэффициента К умножения в соответствии с выражением (1), на ктором участке на 139 микросекундных импульсов сформируется также 100 вычитающих импульсов и т.д. Так ,как изменение коэффициентов умножения осуществляется с отсчетом по оси частот, или по вертикали, то, очевид но, имеет место кусочно-линейная аппроксимация закона, связывающего период и частоту с шагом квантования п вертикали, т.е. на наболее крутом участке кривой располагается как раз наибольшее число изломов, что ведет к уменьшению погрешности аппроксимации в сравнении с шагом квантова.ния по оси времени. Благодаря же тому, что коэффициент умножения (1) включает, кроме квадрата, также и первую степень переменного числа, в каждый момент отсчета принятого постоянного числа вычитающих импульсов значение кода остатка соответствует интервалу времени, складывающемуся из интервала времени вычитания лТ, и связан с ним обрат.ной зависимостью. В момент окончания интервала- вре мени из кода, равного результату ин тегрирования кода наибольшей измеряемой частоты с частотой опорных импульсов, вычитают импульсы, которые формируют вьциёописанным методом

42

30

То ТОО 78 , 238 333 и , кроме того, умножают на код, рав-. ный результату интегрирования импульсов опорной частоты в разностном интервале времени (фиг.1, д (m-n) - (m-n) Чх atF . с . С mdx О К 4 Д1-Ро(Ртах- РоКп) &t-F, т.е. в момент окончания периода Т (фиг.1, ж) фиксируется код остатка, равный сдвигу фазы между измеряемой и смещенной частоты в i периоде . Блок 4 осуществляет выделение интервала времени Д1 и заполнение его импульсами опорной частоты с выхода генератора 3 при поступлении на его входы сигналов с выходов формирователей 1 и 2. В течение разностного интервала времени счетчик 6 интегрирует импульсы опорной частоты, а сумматор 8 интегрирует код наибольшей измеряемой частоты с частотой опорных импульсов, поступающей на разрешающийрход блока 7. В течение следующего ( + 1) периода сигнал с выхода формирователя 1 запускает ограничитель 17, в результате чего разрешающий сигнал на выход ограничителя 17 поступит по окончании отсчета интервала времени , , соответствующего наибольшей измеряемой частоте,, и откроет вентиль 5. С этого момента времени на входы умножителей 10 и 11 поступает опорная частота, а коэффициенты умножения

на кодовых входах упомянутых блоком на первом участке равны

10

т - п - 1

10

10

9

(i)

То

и подаются с кодовых выходов блоков 15 и 1В.

Суммарное произведение указанных коэффициентов умножения тождественно выражению{1)

(m-n) -(m-n)

m - n - 1 1 m - n. I

m- m

a их реализация обеспечивается, например, двоично-десятичным умножителем. Импульсы с выхода умножителя 1 поступают на вход делителя 14 с фиксированным коэффициентом и на вход вычитающегчэ счетчика 9, а импульсы с выхода умножителя.10 сначала умножаются на ЧИСЛО л t - FQ с помощью умножителя 12, а затем поступают на вход делителя 13 с фиксированным коэффициентом деления и на вход вычитания единицы сумматора 8. По мере отсчета чисел uW и дР с выходов делителей 13 и 14 соответствен но поступает по импульсу, благодаря которым в блоках 15 и 16 происходит изменение кодов на выходных шинах в соответствии с выражениями (2). По окончании (1 +1) периода Т; -измеряе1 юй частоты вентиль 5 запирает ся, а в сумматоре 8 и счетчике 9 фиксируются цифровые коды сдвига фазы и измеряемой частоты соответственно.

При необходимости устройство может (.быть выполнено двухканальньЗи и отрабатыватьизмерение обоих параметров в следующем режиме.

Устройство обеспечивает более высокую точность за счет исключения методической погрешности, и также более широкие функциональные возможности благодаря измерению фазы с использованием одного и того же принципа нелинейного кодирования периода. .

Формула изобретения

Устройство для измерения частоты и сдвига фазы, содержащее формирователь, связанный входом с первой входной шиной, генератор юпорной частоты, подключенный к первым входам вентиля и ограничитель верхне1 Ь уровня, выход которого соединен

I

со вторым входом вентиля, подсоединенного к одному входу первого умножителя, связанного ВБКОДОМ с первым входом счетчика и с входом первого делителя, подключенного через первый блок формирования коэффициен-. тов умножения к другому входу первого умножителя, при этом второй вход и выход счетчика связаны соответственно с.третьей входной и первой выходной шинами, отличающееся тем, что,.с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности,.оно снабжено

5 блоком выделения разностного интервала времени, дополнительньм счетчиком, блоком вентилей, сумматором, двумя дополнительными умножителями/ вторым делителем, вторым блоком формирования коэффициентов умножения

и дополнительным формирователем, подключённым своим входом ко второй входной шине, а выходом - к первому вхог ду б.лока выделения разностного интервала, второй вход которого связан с выходом формирователя, с вторым входом ограничителя верхнего уровня и с третьим входом вентиля, выход генератора опорной частоты подключен к третьему входу блока выде ления разностного интервала, выход последнего соединен со входом дополнительного счетчика и с первым входом блока вентилей, выход дополнительного счетчика связан с управляющим входом первого дополнительного умножителя, к выходу которого подключены тактовый вход сумматора и вход второго делителя,связанного через второй блок формирования коэффициентов

0 умножения с первым входом второго дополнительного умножителя, второй вход которого подключен к выходу вентиля, а выходвторого дополнительного укшожктеля соединен с другим ходом первого дополнительного умножителя, причем выход блока вентилей подключен к кодовому входу сумматора, четвертая входная и вторая выходная шины подключены соответственно ко второму входу блока вентилей и к выходу сумматора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 5 1. Авторское свидетельство СССР 370536, кл. 6 01 R 23/02, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР № 370535/кл. G 01 R 23/02,1973 (прототип).