Цифровой измеритель временных интервалов Советский патент 1982 года по МПК G04F10/04 

Изобретение относится к радиоизмерению и может быть использовано для измерения временны ; параметров импульсных сигналов в автоматике, вычислительной технике и приборостроении.

Известен измеритель временных интервалов, в котором временной интервал измеряется грубо tj. N TO (где Т(5 - период следования счетных импульсов, N -число счетных импульсов на временном интервале) с помощью метода последовательного счета, а отрезки времени tg(t ) между стартовым (стоповым) импульсами и последующим счетным импульсом - с помощью преобразователя масштаба времени (нониусного, время - амплитуда - время или других типов). Измеритель содержит триггеры формирования временного интервала, преобразователь временного интервала в напряжение, второй триггер формирования преобразованного временного интервала, генератор пилообразного напряжения, . сравнивающее устройство, генератор и ключ 1.

Недостатком этого измерителя является погрешность, обусловленная нелинейностью

преобразователя и генератора пилообразного напряжения.

Известен измеритель временных интервалов, который содержит генератор счетных импульсов, соединенный с блоком грубого измерения и в каждом канале стартового и стопового импульсов с блоком точного измерения {21.

Однако это устройство характеризуется погрешностью измерения, обусловленной адди10тивной, мультипликативной и нелинейной составляющими преобразователей масштаба временных отрезков tj и t в блоках точного измерения.

Наиболее близким по технической сущ15ности к предлагаемому является цифровой интервалометр, который содержит генератор счетных импульсов, время-амплитудный преобразователь, содержащий два источника тока заряда и один источник тока разряда нако20пительиого конденсатора, сам накопительный конденсатор и сравнивающее устройство, а также блоки устранения неоднозначности в стартовом и стоповом каналах и счетчики 3 Недостатками этого устройства являются погрешность измерения, связанная с нелинейностью преобразования масштаба времени изза изменения величины напряжения накопительного конденсатора, до которого он зарядился за время tg, на интервале времени от заднего фронта импульса tj ДО переднего фронта импульса tp, за счет протекания токов утечки, а также сложность принципиальной схемы, обусловленная построением преобразователя масштаба времени на двух источниках тока заряда накопительного конденсатора, и как следствие этого, наличием двух триггеров управления источникамн тока заряда. Цель изобретения - повышение надежности и точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в , цифровой измеритель временных интервалов, содержащий генератор счетных импульсов, первь|й выход которого подключен к первым входам блоков устранения неоднозначности отсчета стартового и стопового каналов и первого злемента И второй и третий входы кото рого соединены с первыми выходами блоков устранения неоднозначности отсчета соответственно стартового и стопового каналов, а выход - со счетным входом счетчика целой части результата измерения, второй выход генератора счетных импульсов подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом преобразователя масштаба времени, а выход - со . счетным входом счетчика йробной части результата измерения, вход преобразователя масштаба времени соединен с выходом триггера формирования интерполяционных отрезков, введены два элемента ИЛИ, два злемента задержки, блок управления, третий и четвертый элементы И, вычитающие счетчики дробной и целой частей измеряемого вре менного интервала, два блока переписи кода и злемент НЕ, причем шины старт- и стопимпульсов подключены к первым входам соответственно первого и второго -элементов ИЛИ, вторые входы которых объединены и подключены к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И, третий выход блока управления подключен к входам установки нуля всех элементов измерителя, а его вход соединен со вторым выходом генератора счетных импульсов, выход первого элемента ИЛИ подключен ко второму выходу блока устранения неоднозначности отсчета стопового канала, к первому входу триггера формирования

иитерполяциоиных отрезков и второму входу блока устранения неоднозначности отсчета стартового канала, выход второго эле 1ен966

ратор, причем выход источника тока заряда соединен с одной из обкладок накопительного конденсатора, входом компаратора и пер4та ИЛИ через последовательно соединенные первый и BTppojS злементы задержки подключен ко второму выходу блока устранения неоднозначности отсчета стартового канала и ко второму входу триггера формирования интерполяционных отрезков, выход первого элемента задержки соединен со вторым входом блока устранения неоднозначности отсчета стопового канала, выход второго элемента И подключен ко второму входу третьего элемента И, выход которого соединен со входом вычитающего счетчика дробной части измеряемого временного интервала, выходы разрядов которого через первый блок переписи кода подключены к информационным входам счетчика дробной части результата измерения, выход последнего разряда которого соединен со счетным входом счетчика целой части результата измерения и вторым входом четвертого элемента И, выход которого подключен к выходу последнего разряда вычитаютцего сче-цшка дробной части измеряемого временного интервала и входу вычитающего счетчика целой части измеряемого врекгнного интервала, выходы разрядов которого через второй блок переписи кода подключены к информационным входам счетчика целой части результата изме рения, выход элемента НЕ соединен с управляющими входами блоков переписи кода. Блоки устранения неоднозначности отсчета стартового и стопового каналов идентичны и содержат каждый три триггера и два элемента И-НЕ, причем прямой выход первого триггера соединен с первым входом первого элемента И-НЕ, прямой выход второго триггера является первым выходом блока устранения неоднозначности отсчета стартового канала и подключен к первому входу второго элемента И-НЕ, вторые входы элементов И-НЕ объединены и являются первым входом блока, вторым входбм которого является вход первого триггера, инверсный выход второго триггера является первым выходом блока устранения неоднозначности отсчета стопового канала и подключен к третьему входу первого элемента И-НЕ, выход которого соединен со счетным входом второго триггера, инверсный выход третьего триггера подключен к третьему входу второго элемента И-НЕ выход которого подключен к счетному входу третьего триггера и является вторым выходом блока. Кроме того, преобразователь масштаба времени содержит источники токов заряда и разряда, накопительный конденсатор и компавым входом истошшка тока разряда, второй выход которого является входом преобразователя, выходом которого является вы}(од компаратора. На фиг. 1 приведена структурная схема цифрового измерителя временных интервалов; на фиг. 2 - временные диаграммы ее работы в процессе калибровки и в процессе измерения. Измерительная часть цифрового измерителя временных интервалов содержит генератор 1 счетных импульсов, следующих с периодомf, элемент 2 И, триггер 3 формирования интерполяционных отрезков, преобразователь 4 мае штаба времени, состоящий из источников 5 тока разряда и источника 6 тока заряда, накопительного конденсатора 7 и компаратора 8 вычитающие счетчики 9 и 10 целой и дробной частей измеряемого временного интервала соответственно, счетчики Ни 12 соответственно целой и дробной частей результата измерений, элемент 13 ИЛИ и элементы 14 и 15 задержки, злемент 16 ИЛИ, блоки 17 и 18 устранения неоднозначности соответственно стартового и стопового каналов, состоящие из триггеров 19, 20 и 21 (22, 23 и 24) элементов 25 и 26 (27 и 28) И-НЕ, в измерительную часть входит также элемент 29 И. Калибровочная часть цифрового измерителя временных интервалов содержит элементы 30 и 31 И, злемент 32 НЕ,блоки 33 и 34 переписи кода и блок 35 управления. Блок 35 управления предназначен для фор мирования в процессе калибровки сигналов Uj, Us, Ug. В его состав входлт триггер (не показан), установочньге входы которого соединены с шинами Тежим калибровки и Режим измерения, единичный выход триггера является вторым выходом блока управления. Для формирования импульса Us по первому выходу блока управления применен блок выделения одиночного импульса (не показан) аналогичный блоку устранения неоднозначности, а для формирования импульса Ui по третьему выходу - блок привязки (не показан) к заднему фронту импульса Uj. В исходном состоянии счетчики 11 и 12 установлены в нуль, а счетчики 9 и 10 - в состояние 99... 9. Триггеры 19 и 22, 20 и 23 держат в закрытом состоянии элементы. 25 и 27, 26 и 28 соответственно, кроме это,го триггер 20 запрещает прохождение последовательности счетных импульсов (Uj) через элемент 2 И, триггер 3 держит отключенным источник 5 тока разряда от накопительного конденсатора 7, который заряжен от источника 6 тока заряда. Элементы И 30 и 31 {открыты сигналом с второго выхода блока 35 управления, злемент 29 И, управляемый компаратором 8, закрыт. Цифровой измеритель временных интервалов работает следующим образом. В процессе калибровки осуществляется измерение нулевого временного интервала. Процесс калибровки начинается с момента подачи с блока 35 управления сигнала (Уз) через элемент 13 ИЛИ на блок 17 устранения неоднозначности стартового канала и на единичный вход (Us) триггера 3, устанавливающий последний в единичное состояние (U,i), разрещающее разряд (U j j) накопительного конденсатора 7 через источник 5 тока разряда и формирующий начало интервала длительностью tg, а также через злемент 16 ИЛИ и элемент 14 задержки, с временем задержки 2T(j(Uis), на блок 18 устранения неоднозначности стопового канала. При достижении напряжения на конденсаторе 7, равного Ридр, срабатывает компаратор 8, сигнал с выхода которого (Ui3) даеат разрешение на прохождение последовательности счетных импульсов через злемент 29 И (Ujo) в счетчики дробных частей 12 и 10. Сигнал (Uj), пришедший в блок 17 устранения неоднозначности, переключает триггер 19 в единичное состояние (и), разрешающее прохождение последовательности счетных импульсов от генератора 1 через злемент 25 И-НЕ, первый импульс (1)7), с выхода которого, задним фрон том устанавливает триггер 20 в единичное состояние (Ug). Сигнал с инвертированного выхода триггера 20 поступает на вход элемента 25 И-НЕ и запрещает прохождение через него последовательности счетных импульсов, а сигнал с прямого выхода зтого триггера открывает злемент 2 И, разрешая тем самым прохождение последовательности счетных импульсов (U9) в счетчики целой части: через элемент 30 И в вычитающий счетчик 9 и непосредствеино в счетчик 11. Элемент 26 И-НЕ, открытый сигналом (Ug) С прямого выхода триггера 20, пропускает первый импульс (Uio) последовательности, который поступает на счетный вход триггера 21 и нулевой вход триггера 3 и устанавливает задним фронтом триггер 21 в нулевое состояние, запрещающее прохождение через элемент 23 И-НЕ последовательности счетных импульсов, а передним фронтом Триггер 3 - в исходное состояние (Уц), запрещающее разряд (U|}) накопительного конденсатора 7 через источник 5. На этом.заканчивается формирование интервала длительностью tg и начинается медленный дозаряд накошггельного конденсатора 7 от нсточника 6 тока З j заряда. Отношение велнчнны тока заряда 3 к величине тока раз9ряда Ур определяет коэффициент преобразования масштаба времени К j/3p 1000. Приходящий в блок 18 устранения неоднозначности сигнал (Uj) с блока 35 управле кия, задержанный на 2 f (Ujs), переключает триггер 22 в единичное состояние (Uje) разрешающее прохождение последовательности счетных импульсов от генератора 1 через элемент 27 И-НБ. Первый импульс (U,7) с выхода элемента 27 И-НЕ задним фронтом устанавливает .триггер 23 в единичное состоя ние. Сигнал (Ujg) с инвертированного выхода триггера 23 пост)шает на вход элемента 27 И-НЕ и запрещает прохождение через него последовательности счетных импульсов, а также поступает на вход элемента 2 И, закрывает его и запрещает прохождение последовательности счетных, импульсов (U9) в счетчики 9 и 11 целой части. Сигнал с : прямого выхода триггера 23 поступает на элемент 28 И-НЕ, открывает его, разрешая тем самым прохождение через пего последовательности счетных импульсов. Первый импульс (Us) на выходе элемента 28 И-НЕ задним фронтом -устанавливает триггер 24 в состояние, запрещающее прохождение через элемент 28 И-НЕ остальных импульсов после довательности, а также триггер 3 в единичное состояние (Uji), разрешающее разряд накопительного конденсатора 7 через источник 5 и формирующий начало интервала длительности t. Задержанный на 6 Тр сигнал с выхода элемента 15 задержки с временем задержки 4ZQ , переключает триггер 3 в исходное Состояние, запрещая тем самым разряду, накопительного конденсатора 7 и заканчивая формирование интервала длительностью l«(Ui а конденсатор 7 вновь дозаряжается от источника 6 тока Jj заряда. При достижении напряжения на конденсаторе 7 равного компаратор 8 устанавливается в исходное состояние,и сигнал с его выхода (Uis) запрещает прохождение последовательности счетных импульсов через элемент 29 И в счет-:чики 10 и 12 дробных частей. Таким образому в вычитающих счетчиках 9 и 10 оказывается записанным чис/ю, равное разности значений первоначальной установки этих счетяиков99...9 и величины времени задержки, обусловленной задержкой сиг налов при прохождении их через элементы схемы измерителя. Процесс калибровки заканчивается подачей запрещающего сигнала (U2) на элементы 30 и 31 И, выработкой блоком 35 управления сигнала О (Uiв),устанавливающего все триггеры измерителя в исходное состояние и. 8 разрешающего перепись кода на вычитающих счетчиков 9 и 10 целой и дробной частей через блоки 33 и 34 в счетчики 11 и 12, результата измерений, тем самым предустанавливая их в состояние, устраняющее при последующем измере1ши ошибку, обусловленную задержкой сигналов при их прохождении через узлы измерителя. После этого цифровой измеритель временных интервалов готов к измерению временных интервалов, ограниченных Старт (S) и Стоп (F) импульсами. В процессе измерения с приходом стартового S импульса (N4)., проходящего через элемент 13 ИЛИ на блок 17 устранения неоднозначности стартового канала и на единичный вход триггера 3 (Uj), последний устанавливается в единичное состояние ,(Uji) разрешающее разряд (Uia) накопительного конденсатора 7 через источник 5 и формирующее начало интервала длительностью tg. При достижении, напряжения на конденсаторе, равного Удор, срабатывает компаратор 8, сигнал с выхода которого (Uis) дает разрешение на прохождение последовательности счетных импульсов через элемент 29 И (Ujo) в счетчик 12 дробной части. Сигнал (Us),, пришедший в блок 17 устранения неоднозначности, переключает триггер 19 в единичное состояние (Ue), разрешающее прохождение последовательности счетных импульсов от генератора 1 через элемент 25 И-НЕ, первый импульс (Uv) с выхода которф-о задним фронтом устанавливает триггер 20 в единичное состояние. Сигнал с инвертированного выхода триггера 20 поступает на вход элемента 25 И-НЕ и запрещает прохождение через него последовательности счетных импульсов, а сигнал с прямого выхода этого триггера (Ug) открывает элемент 2 И, разрешая тем самым прохождение последовательности счётных импульсов с его выхода (Ug) в счётчик 11 целой части результата измерений. Элемент 26 И-НЕ, также открытый сигналом с прямого выхода триггера 20, пропускает первый импульс (Ujо), который устанав.ливает задним фронтом триггер 21 в нулевое состояние, запрещающее прохожде ние через элемент 26 И-НЕ последовательности счетных импульсов, а также триггер 3 передним фронтом в исходное состояние (иц), запрещающее разряд (Ujj), накопительного конденсатора 7 через источник 5. На этом заканчивается формирование интервала длительностью tg и начинается медленный дозаряд накопительного конденсатора 7 от источника 6 тока Jj заряда. С приходом стопового F импульса (U,4), п гаходящего через элемент 16 ИЛИ и элемент 14 задержки с временем задержки 2TO (и 15), в блок 18 устранения неоднозначности стопового канала триггер 22 переключается в единичное состояние (и,), разрешающее прохождение последовательности счетных импульсов от генератора 1 через элемент 27 И-НЕ, первый импульс (Uj7), с выхода которого задним фронтом устанавливает триггер 23 в единичное состояние. Сигнал (Dig) с инвертированного выхода триггера 23 поступает на вход элемента 27 И-НЕ и запрещает прохождение через него последовательности счетных импульсов, а также поступает на вход элемента 2 И, закрывает его, запрещая тем самым прохождение последовательности счетных импульсов в счетчик 11 целой части. Сигнал с прямого выхода триггера 23 поступает на вход элемента 28 И-НЕ и открывает его. Первый импульс на выходе элемента 28 И-НЕ (Us) задним фронтом устанавливает триггер 24 в нулевое состояние, запрещающее прохождение через элемент- 28 И-НЕ последовательности счетных импульсов, а также триггер 3 в единичное состояние (Уц), разрешающее разряд (Ujj) накопительного конденсатора 7 через источник 5 и формирующее начало интервала длительностью t. Задержанный на 6 Т относительно стопового импульса (F) сигнал с выхода элемента 15 задержки переключает триггер 3 в исходное состояние, запрещая тем самым разряд накопительного конденсатора 7 и заканчивая формирование интервала длительностью tf, а конденсатор 7 вновь медленно дозаряжаетс ох источника 6 тока заряда. При достижении напряжения на конденсаторе 7 равного иддр компаратор 8 устанавливается в исходное состояние и сигнал с его выхода (Uia) запрещает прохождение последовательности счетных импульсов через элемент 29 И в сче чик 12 дробной части. На этом процесс измерения заканчивается. Применение новых узлов и связей позволяет повысить точность измерений за счет снижения погрешности, связанной с нелиней.ностыо преобразования масштаба времени и вычитания из Конечного результата времени .задержки, которое возникает при прохождени сигналов через узлы измерителя, а также по высить надежность схемы самого измерителя. Формула изобретен и я 1. Цифровой измеритель временных интервалов, содержащий генератор счетных импуль сов, первый выход которого подключен к первым входам блоков устранения неоднозначности отсчета стартового и стопового каналов и первого элемента И, второй и третий входы которого соединены с первыми выходами блоков устранения неоднозначности отсчета соответственно стартового и стопового каналов, а выход - со счетным входом счетчика целой части результата измерения, второй выход генератора счетных импульсов подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом преобразователя масштаба времени, а выход со счетным входом счетчика дробной части результата измерения, вход преобразователя масштаба времени соединен с выходом триггера формирования интерполяционных отрезков, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности измерений, в него введены два элемента ИЛИ, два элемента задержки, блок управления, третий и четвертый элементы И, вычитающие счетчики дробной и целой частей измеряемого временного интервала, два блока |Переписи кода и элемент НЕ, причем шины старт- и стоп-импульсов подключены к первым входам соответственно первого и второго-элементов ИЛИ, вторые входы которых объединены и подключены к первому вь1ходу блока управления, второй выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И, третий выход блока управления подключен к входам установки нуля всех элементов измерителя, а его вход соединен со вторым выходом .генератора счетных импульсов, выход первого элемента ИЛИ подключен ко второму выходу блока устранения неоднозначности отсчета стопового канала, к первому входу триггера формирования интерполяционнь1х отрезков, и второму входу блока устранения неоднозначности отсчета стартового канала, выход второго элемента ИЛИ через последовательно соединенные первый и второй элементы задержки подключен ко второму выхоод блока устранения неоднозначности отсчета стартового канала и ко второму входу триггера формирования интерполяционных отрезков, выход первого элемента задержки соединен со вторым входом блока устранения неоднозначности отсчета стопового канала, выход второго элемента И подключен ко второму входу третьего элемента И, выход которого соединен со входом вычитающего счетчика дробной части измеряемого временного интервала, выходы разрядов которого через первый блок переписи кода подключены к информационным входам счетчика дробной части результата измерения, выход последаего разряда которого соединен со счетным входом счетчика целой части результата измерения и вторым входом

четвертого элемента И, выход которого подключен к выходу последнего разряда вычитающего счетчика дробной части измеряемого временного интервала н входу вычитающего счетчика целой части измеряемого временного интервала, выходы разрядов которого через второй блок переписи кода подключены к информационным входам счетчика целой части результата измерения, выход элемента НБ соединен с )шравляющими входами блоков переписи кода.

2. Измеритель по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что блоки устранения неоднозначности отсчета стартового и стопового каналов идентичны и содержат каждый три триггера и два элемента И-НЕ, причем прямой выход первого триггера соединеи с первым входом первого элемента И-НЕ, прямой выход второго триггера .является- первым вь1ходом блока устранения неодноэначности отсчета стартового канала и подключен к первому входу второго элемента И-НЕ, вторые.входы элементов Й-НЕ объединены н являются первым входом блока, вторым входом которого является вход первого трнггера, шшерсный выход второго триггера является первым выходом блока устранения неоднозначности отсчета стопового канала и

подключен к третьему входу первого злемента И-НЕ, выход которого соединен со счетным входом второго триггера, инверсный выход третьего триггера подключен к третьему входу второго злемента , выход которого подключен к счетному входу третьего триггера и является вторым выходом блока.

3. Измеритель по п. 1, о т л н ч а ющ и и с я тем, по преобразователь маснтгаба времени содержит источники токов заряда и разряда, накопительный конденсатор и компаратор, причем выход источника тока заряда соединен с одной из обкладок накопительного конденсатора, входом компаратора и первым входом источника тока разряда, второй выход которого является входом преобразователя, выходом которого является выход компаратора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США N 3668529, кл. G 04 F 10/04 1972.

2.Патент США Н 3675127, кл. G 04 F 10/04, 1972.

3.Патент США N3983481, кл. G 04 F 10/04, 1976.

fO

W

10

10

10

ю

J

I

lш

/

„0.

f

(.у /fO/n/faogftcf