Цифровой низкочастотный частотомер Советский патент 1982 года по МПК G01R23/10 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для точного измерения в цилиндровой форме сигналов низкой и инфранизкой частоты в течение одного или нескольких ее периодов.

Известен цифровой частотомер, содержащий генератор импульсов, делитель частоты, управляемый делитель частоты, два счетчика импульсов,формирователь образцовых интервалов времени 1 .

Недостатком частотомера является невысокая точность измерения, обусловленная тем, что на результат измерения влияет остаток от деления постоянного числа импульсов на число, пропорциональное периоду измеряемой частоты.

Наиболее близким к изобретению является цифровой низкочастотный частотомер, содержащий блок управления, элемент И, два счетчика, блок изме- нения частоты квантования 2.

Недостатком этого частотомера является низкая точность определения частоты сигнала, обусловленная тем, что сформированная частота, необходимая для формирований результата измерения, не всегда укладывается целое число раз в калиброванный интер вал времени, при этом выходное значение частоты по сравнению с истинным значением частоты всегда занижено.

Целью изобретения является повышение точности изменения частоты сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой низкочастотный

10 частотомер, содержащий блок изменения частоты квантования, первый и второй счетчики, элемент И, блок управления, вход которого подключен к входной шин/э устройства, первый выход - к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с выходом изменения частоты квантования, а выход элемента И соединен со счетным входом первого счетчика,

20 первый выход которого соединен с входом блока изменения частоты квантования, введены третий счетчик, дешифратор, дискретный делитель, регистр, формирователь , двоичный делитель,

25 счетный вход которого соединен со вторым выходом блока управления, управляющие входы двоичного делителя соединены с вторыми выходами первого счетчика, а его выход - со счетным

30 входом дискретного делителя, управллющие входы которого через дешифра тор соединены с выходами третьего счетчика, последовательный выход дискретного делителя подключен к вх ду второго счетчика, а параллельные выходы дискретного делителя прдключ ны к информационным входам регистра импульсный вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а выход регистра - с первой выходной шиной устройства, при этом .вход фор мирователя подключен к первому выходу первого счетчика, к входу третьего счетчика, к входу блока изменения частоты квантования, выход формирователя соединен с установочными входами первого счетчика, вых второго счетчика соединен с второй выходной ШИНОЙ устройства. На фиг.1 изображена функциональная схема частотомера, на фиг. 2 функциональная схема блока изменения частоты квантования, на фиг.З функциональная схема дискретного де лителя частоты.. В состав цифрового частотомера входят в блок 1 управления, элемент 2 И, первый счетчик 3, двоичный делитель 4, формирователь 5, блок 6 изменения частоты квантования, третий счетчик 7, дешифратор 8, дискре ный делитель 9, регистр 10, второй счетчик 11. На вход устройства поступают сигналы измеряемой частоты F. В состав блока 6 изменения частоты квантования входят счетчик 12, дешифратор 13, генератор 14 постоян Ной. частоты, триггеры 15.1,. .. ,3,5.К элементы 16.1.,,,16.К+1 И, элемент 17 ИЛИ. В состав дискретного делител 9 входят элемент 18 И, триггер 19, элемент 20 И, элемент 21 ИЛИ, триггер 22, элемент 23 И, элемент 24. ИЛИ, элемент 25 И, триггер 26, элемент 27 ИЛИ; На выходе элемента 27 ИЛИ формируется результат измерения в целых единицах (целая часть), с выход;ов триггеров 19, 22 и 26 снимается результат измерения в долях единиц (дробная часть). Дискретный делитель 9 имеет две функции. Во-пер вых, поскольку делитель N(if в счетчи ке 3 независимо от значения периода изменяется в небольших пределах, значение коэффициента деления К приводит количество импульсов на выходе двойчног.о делителя 4 к единице измерения частоты, так как одно значение в счетчике 3 может соответствовать нескольким значениям периода Т, следовательно, нескольким значениям частоты. Во-вторых, дискретный делитель 9 автоматически определяет, стоит ли учитывать остаток от деления -|тгт „в выходном значении измеряемой частоты. Если значение К мало, что соответст вует большим частотам измеряемого сигнала, значение NO/NT К- велико, и значение остатка от деленияNQ/N к ™ нет необходимости учитывать. Если значение К велико, что соответствует меньшим частотам измеряемого сигнала, значение NO/N.-TК мало, и значение остатка от деления NO/N.K необходимо учитывать. Таким образом (осуществляется автоматическая подстройка погрешности измерения частоты импульсного сигнала в зависимости от диапазона, в котором нахо- дится измеряемое значение частоты. Измерение частоты осуществляется следующим образом. На вход поступает входной сигнал с частотой Fх-/TX На первом эта.пе - этапе измерения периода - период Т заполняется частотой .квантования , которая в начальный момент времени равна FQ . Поступление первых NVWVI. импульсов ( означает, что пройдена верхняя граница измеряемой частоты (., - нижняя граница измеряемого периода).- Если период Т не превышает величины К-Т,,„;; , то частота квантования F,e,F, до конца периода Tj( остается неизменной, а если период ,„, то частота квантования уменьшается в К раз (например, ), т.е. частота квантования станет равной Fugt Остаток временного интервала дТ Ту-К-Т п1и будет заполняться частотой квантования FO/К , причем импульсы этой частоты квантования будут суммироваться с количеством импульсов Нццц и«ч + (Т -К-Тп,1«)- , см нач+ Кб Nn, , нач у11мПри каждом последующем подсчете количества иглтульсов, равного N, частота квантования будет вновь уменьшена в К раз и т.д. до момента окончания периода Ту. Таким образом, после окончания периода TX будет подсчитано количество импульсов N, ,w- AT-|g, где . о (ТХ-УП;|И- к тлп к Уп1и К После окончания первого этапа начинается второй этап - этап вычислени частоты, на котором значение преобразуется в число,пропорциональное частоте. Осуществляется деление постоянного .количества N на NC, No« К ,Ne,- К р eb.4 NcVT, деление количества импульсов N на значение Neb«i NgK Fx,Nox вьп1й KI . Fj R ч Значение ,|,j, соответствуе измеренному значению частоты в выб1ранных единицах измерения, а знйче ие Ngj,,- ,i,,xi3 (остаток от :второго деления соответствует дробной части, которая уточняет измерен ное значение частоты до долей выбран ной, единицы измерения. Устройство для измерения частоты импульсного сигнала работает следующим образом. В исходном состоянии блок 1 управ ления подает запрещение на элемент И 2, счетчики и регистры устройства находятся в исходном, нулевом состоя нии (цепи начальной установки на фИ115.1 не показаны) , По команде Пуск поступакщей на блок 1 управления из вне (ил1И по команде от встроенного таймера), блок 1 управления формирует временнЬй интервал, равный одному ил нескольким периодам Т измеряемой частоты F)c, который поступает на пер вый вход элемента 2 И. На первом эта пе производится квантование периода Ту измеряемой частоты импульсами ч,ас тоты квантования ,, поступающими с выхода блока 6 изменения частоты квантования, В начальный момент времени значение частоты квантования равно F,(. (где FO - частота генератора 14 постоянной частоты), Элемент 2 И открывается на время TjQ, импульсы частоты квантования поступают на вход первого счетчика 3, Поступление первых , импульсов N Yvin Tv vivi FO свидетельствует о том, что значение измеряемого периода сравнялось с нижней границей периода (верхней границей частоты) измеряемого сигнала. Если период Т не превышает величины , (значение коэффициента деления частоты квантования К выбрано равным -2), то частота импульсов, поступаквдих на вход первого счетчика 3, до конца периода T)t останется равной Fp . Если Т ,, в счетчик 12 блока 6 запишется импульс переполнения, дешифратор 13 подает разрешение на тот элемент 16 И, па другой вход которого поступает частота РО/ с выхода триггера 15.1, которая через элемент 17 ИЛИ поступает на вход элемента 2 И, т.е, частота квантования периода Т х уменьшится в два раза. В первы счетчик 3 при этом с помощью формиро вателя 5 записывается значение Н,оц( hiiM Остаток времени будет заполняться частотой Ро/1и т.д до окончания периода Т. При каждом переполнении первого счетчика 3 час:. тота квантования будет уме-ньшаться в два раза. К моменту окончания периода T) частота квантования будет равна F 2 где m Entrtoc) Ent - целая часть выражения в скобках; I - :; в первом счетчике 3 будет записано количество импульсов N . t4 мач кв- нИЧ ..T т.т О т . 9 2w О win X 2 vnit 2m 2 X Кроме того, на этапе измерения периода Т в зависимости от значения периода Т5 изменяется коэффициент деления дискретного делителя 9. Это осуществляется следуклдим образом. В исходном состоянии перед поступлением периода Т измеряемого сигнала и. при Tj(2T третий счетчик 7 через дешифратор 8 подает, разрешение на элемент 25 И. При третий счетчик 7 через дешифратор 8 подает разрешение на элемент 23 И и т.д. При третий счетчик 7 через дииифратор 8 подает разрешение, на элемент 18 И, Таким-образом, в зависимости от значения периода измеряемого сигнала T)t разрешение будет подано на элемент И, который разрешает прохождение импульсов с выхода двоичного делителя 4 через различное количество триггеров. Например, при Ту импульсы с выхода двоичного делителя 4 будут поступать на выход дискретного делителя 9 через элемент 25 И элемент 27 ИЛИ, т.е. один импульс на входе соответствует одному импульсу на выходе. При , иютульсы с ВЕЛХОда двоичного делителя 4 будут поступать на выход дискретного делителя 9 через элемент 23 И, элемент 24 ИЛИ, триггер 26, элемент 27 ИЛИ, т.е, два импульса на входе соответствуют одному импульсу на выходе. Состояние триггера 26 уточняет значение измеряемой частоты до 1/2 единицы измерения (до 1/2 импульса на выходе элемента 27 ИЛИ). После окончания первого этапа квантования Т начинается .второй этап - вычисление , на котором значение Мсчпреобразуется в значение Np, пропорциональное измеряемой частоте. На вход двоичного делителя 4 блок 1 управления подает делимое N (постоянное количество импульсов). На выходе двоичного делителя 4 формируется количество импульсов N N,Ent(; Ent( . -t Nc4 FO которое поступает на дискретный дели тель Э, на выходе которого формирует ся количество импульсов N, N Ent() Ent( Причем с выхода элемента 27 ИЛИ дискретного делителя 9 снимается измеренное значение частоты в целых единицах измерения (например, 1 импульс соответствует 1 Гц), которое поступает во второй счетчик 11. После окончания второго этапа блок 1 уп равления формирует импульс писи, который поступает на вход регистра 10, на установочные входы которого поступают сигналы с выходов триггеров 19, 22 и 26 дискретного делителя 9, причем состояние 1 триггера. 26 соответствует 0,25 Гц. Состояние 1 триггера 19 соответствует 0,125 Гц, а остаток в двоичном делителе 9 никогда не превышает цены младшего разряда дискретного делителя 9.. При малых периодах (больших часто тах) частота квантования периода Т велика, и относительная -погрешность измерения периода не хуже заданной,-. при увеличении периоду Т, частота квантования уменьшается в соответствующее число раз, т.е. относительная погрешность измерения периода остается такой же, как и на малых периодах. Поскольку при увеличении периода Т значение в первом счетчике 3 никогда не превышает значения а на. вход двоичного делителя 4 посту пает постоянное количество импульсов Njj, каждое уменьшение частоты кванто вания в два раза можно трактовать как увеличение в дтза паза делимого (в нашем случае постоянного Nj чтобы сохранить на выходе устройства посто янную цену выходных импульсов (напри мер, 1 импульс соответствует 1 Гц), повышается коэффициент деления дискретного делителя 9. Однако, поскольку в работе участвует различное коли чество триггеров, значение с выходов регистра 10, уточняющее результат из мерен ия, каждый раз разное, при разных Fmj . Так, при малых периодах больших частотах) на выходе дискрет ного делителя 9 формируется значител .ное количество импульсов, и относительная погрешность, вносимая остатком от деления невелика. При больших. периодах .(малых частотах) на выходе дискретного делите.ля 9 формируется малое количество импульсов, и относительная погрешность, вносимая остатком от деления .NO-на Нсц- К, возрастает, и этот .остаток автоматически учитывается. Технико-экономический эффект предлагаемого устройства заключается в повышении точности измерения частоты импульсного сигнала при сохранении быстродействия. Повышение точности обуславливается тем, что в прототипе остаток от деления калиброванного интервала времени на период, прямо пропорциональный периоду измеряемого сигнала,- отбрасывается и полностью определяет погрешность изме-. 2ения. В предлагаемом устройстве остаток от деления постоянного количества импульсов на результат суммирования, который переписывается из дискретного делителя 9 в регистр 10, уточняет результат измерения частоты импульсного сигнала, причем этот остаток учитывается (выводится) при больших значениях,периода (меньших значениях частоты ) измеряемого сигнала, когда особенно важно повысить точность измерения. Если в прототипе остаток от деления калиброванного интервала времени Т„ на Ту (N. максимальное значение которого может достигать значения, соответствующего Ту/Му независимо от Т)( отбрасывается и влияет на погреш- . ность измерения, уменьшая измеренное значение по сравнению с действительным значением .частоты, то в изобретении остаток, от.деления постоянного количества импульсов N, на М..цК фиксируется в дискретном делителе 9 в долях выбранной единицы измерения частоты, поскольку с выхода двоичного делителя 4 цена каждого импульса уже соответствует значениюСК /),,, т.е. цена младшего разряда в регист-ч ре 10, уточняющая измеренное значение частоты, в раз меньше выбранной единицы изме.рения частоты 1значение младшего разряда в счетчике 11) Таким образом в предлагаемом частотомере точность измерения частоты импульсного сигнала выше. Кроме того, в предлагаемом частотомере точность измерения частоты( цена младшего разряда в регистре 10) зависитот значения измеряемой частоты. Так ,при больших значениях частоты измеряемого сигнала цена младшего разряда в регистре .10 максимальна 1равна выбранной единице измерения) , а при меньших значениях частоты измеряемого сигнала цена младшего разряда в регистре 10 минимальна, (равна выбранной единице изме-. рения, уменьшенной в К раз), т.е. изобретение является адаптивным,. п.одстраиваюашмся под значение (диапазон) частоты измеряемого сигнала, что позволяет измерять частоту импульсного сигнала всегда с заданной погрешностью, за одно и то же время. Формула изобретения Цифровой, низкочастотный частотомер, содержащий блок изменения частоты квантования, первый и второй счетчики, элемент И, блок управления, вход которого подключен к входной шине устройства, первый выход к первому входу элемента и, второй вход которого соединен с выходом блока-изменения частоты квантования, а выход элементй И соединен со счетным входом первого счетчика, первый выход которого соединен с входом блока изменения частоты квантования, о т л ич а ю щ и ift с я. тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены третий счетчик, дешифратор, дискретный ; делитель, 1регистр,. формирователь., 71ВОИЧНЫЙ делитель, счетный вход которого соединен с вторым выходом блока управления, управляющие входы двоичного делителя соединены с вторыми выходами первого счетчика, а его выход - со.счетным входом дискратного делителя, управляющие входы которого через дешифратор соединены с

выходами третьего счетчика, последовательный выход, дискретного делителя подключен к входу второго счетчика, а параллельные выходы дискретного делителя подключены к информадаонным входам регистра, импульсный вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а выход регистра с первой выходной шиной устройства, при этом вход формирователя под(ключен к первому выходу первого счетчика, к входу блока изменения частоты квантования, выход формирователя соединен с установочными входами первого счетчика, а выход второго счетчика соединен с второй выходной шиной устройства. .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР 57376В, кл. G 01 R 23/10 1977. , 2. Авторское свидетельство СССР 1, 543882, кл. G 01 R 23/10, 1977.