Устройство измерения частоты Советский патент 1983 года по МПК G01R23/02 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ:ЧАСТОТЫ . ,1 Изобретение относится к измеригельной и импульснойтехнике и может быть использовано для измерения частоты периодических сигналов. Известно устройство измерения час тоты, содержащее генератор эталонной частоты, формирователи импульсов эталонной и измеряемой частот, ключи триггер управления, схему совпадения счетчики импульсов эталонной и измеряемой частот, делитель частоты Cl. Однако это устройство допускает возможность переполнения счетчиков импульсов или же определение частоты по недостаточному количеству подсчитанных импульсов при произвольном коэффициенте деления делителя частоты. Кроме того, произвольный выбор импуль сов совпадений из разных пакетов не является оптимальным с точки зрения обеспечения высокой точности во всем диапазоне измерения измеряемых частот В области больших расстроек точность измерения значительно ниже, чем точность измерения при близких значениях частот сравниваемых последовательностей. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство измерения частоты, содержащее генератор эталонной частоты, формирователи импульсов эталонной и измеряемой частот, ключи, схему совпадения, . счетчики импульсов эталонной и изме-. ряемой частот и -триггер управления, один из входов которого подключен к выходу счетчика эталонной частоты. В нем регистрируются совпадения импульсов эталонной последовательности и последовательности импульсов неизвестной частоты, формируется вре- . менной интервал между импульсами совпадений, подсчитывается число импульсов эталонной и неизвестной частот, попавших в сформированный интервал между совпадениями 2. Однако выбор совпадений в известном устройстве не является оптимальным, из-за чего возможна потеря точности измерения. Цель изобретения - увеличение точности измерения частоты. Поставленная цель достигается тем, .что в устройство измерения частоты, содержащее генератор эталонной частоты, два ключа, счетчики импульсов эталонной и измеряемой частот, триггер управления и формирователь импульсов измеряемой частоты, вход которого соединен с входной шиной устройства.

выход генератора эталонной частоты соединен с входом первого ключа и первым входом элемента И, второй вхо которого подключен к выходу формирователя измеряемой .частоты и входу второго ключа, управляющий вход кото рого соединен с управляющим входом первого ключа и выходом триггера управления, выходы первого и второго ключей соединены соответственно со счетными входами счетчика импульсов эталонной частоты и счетчиком импульсов измеряемой частоты, выход счетчика импульсов эталонной частоты подключен к первому входу триггера управления, введены элемент ИЛИ и m каналов, в каждый из которых введены счетчик канала, регистр, дешифратор, блок сравнения кодов, первый и второй вспомогательные ключи, при этом в каждом канале выход счетчика канал а соединен с кодовым входом регистра и первым входом блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с входом дешифратора и выходом регисра, выход блока сравнения кодов соединен с управляющим входом первого вспомогательного ключа, а выход деширатора соединен, с управляющим входом второго вспомогательного ключа, в каждом канале, начиная с второго, управляющие входа счетчика канала, регистра и импульсные входы вспомогательных ключей соединены между собой и подключены к выходу первого вспомогательного ключа предыдущего канала, а управляющие входы счетчика канала, регистра и импульсные входы вспомогательных ключей в первом канале соединены между собой и подключены к выходу элемента И, импульсные входы каждого счетчика канала соединены с выходом генератора эталонной частоты, выходы вторых вспомогательных ключей каждого канала и первого вспомогательного ключа последнего :канала соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу триггера управления,

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая его работу.

Устройство содержит генератор 1 эталонной частоты, формирователь 2 импульсов измеряемой частоты, элемент И 3, триггер 4 управления, первый и второй ключи 5 и. б, счетчик 7 импульсов эталонной, частоты, счетчик 8 импульсов измеряемой частоты, элемент ИЛИ 9, m каналов, в каждый из которых входит счетчик 10 канала, регистр 11, блок 12 сравнениякодов, дешифратор 13, первый и второй вспомогательные ключи 14 и 15.

Внутри каждого канала выход счетчика 10 соединен с кодовым входом регистра 11 и первым входом блока 12 сравнения кодов. Второй вход блока

12соединяется с входом дешифратора

13и выходом регистра 11. Выход блока 12 сравнения кодов соединяется с управляющим входом первого вспомогательного ключа 14. Выход дешифратора

13соединяется с управляющим входом первого вспомогательного ключа 15. Управляющие входы счетчика 10, регистра 11 внутри каждого канала, начиная с второго, соединены между собой и с импульсными входами первого и второго вспомогательных ключей

14и 15, а затем соединяются с выходом первого вспомогательного ключа 14 предыдущего канала. Аналогичные входы счетчика 10, регистра 11, первого и второго вспомогательных ключе

14и 15 первого канала соединены между собой и с выходом элемента ИЗ Выходы вторых вспомогательных ключей

15каждого канала, а также выход первого вспомогательного ключа 14 последнего канала соединяются с соответствующими им входами элемента ИЛИ 9. Выход генератора 1 эталонной частоты соединяется с импульсными входами счетчиков 10 всех каналов, с первым входом элемента И 3 и импульсным входом первого-ключа 5. Выход формирователя 2 импульсов соединен

с вторым входом элемента И 3-и импулсным входом второго ключа б. На вход формирователя 2 поступает сигнал измеряемой частоты. Выход элемента ИЛИ соединяется с вторым входом триггера 4 управления, выход которого соединяется с управляющими входами первого второго ключей 5 и б. Первый вход триггера 4 соединен с выходом счетчика 7. Выход первого ключа 5 соединен со счетным входом счетчика 7, а выход второго ключа б соединен со. счетным входом счетчика 8.

Устройство работает следующим образом.

В каждом канале счетчики- 10 канала подсчитывают поступающие на их импульсные входы импульсы с генератора эталонной частоты между моментами прихода импульсов на управляющие входы счетч Гков 10, регистров 11 и импульсные входы первого и второго ключей 14 и 15. В момент прихода импульса на управляющий вход счетчика 10 его состояние фиксируется. Блок 12 сравнения кодов сравнивает код счетчика 10 и код регистра 11. Если в этот момент код счетчика 10 больше (или меньше) кода регистра 11, то блок 12 открывает первый вспомогательный ключ 14 и пропускает импульс поступающий в это время на его импульсный вход. Одновременно дешифратор 13 анализирует код регистра 11 и если он больше заданного значения N-; , то дешифратор 13 открывает второй

в&помогательный ключ 15 и пропускает импульс, поступаювдай на импульсный вход этого ключа. По окончании действия импульсов (например, по. их заднему фронту), поступающих на управляющие входы счетчика 10 и регистра 11, содержимое счетчика 10 переписывается в регистр 11, а сам счетчик обнуляется. После этого процесс повторяется.

Таким образом, в каждом канале имеет место преобразование входящей последовательности импульсов, поступающей в него на управляющие входы счетчика 10 и регистра 11, а также импульсные входы первого и второго вспомогательных ключей 14 и 15. На выходе первого вспомогательного -ключа 14 формируется новая последовательность, состоящая из тех импульсов входящей последовательности, которые образуют начальные (или конечные ) границы таких интервалов между ближайшими импульсами этой последовательности , длительность которых больше (или меньще ) длительности предшествующих им аналогичных интервалов. Новая последовательность выбранных импульсов поступает в следующий канал. .При этом, для первого канала входящей является.последовательность импульсов совпадений, сформированная элементом И 3 из совпадающи импульсов эталонной частоты f, и неизвестной частоты fx , поступающих на ее первый и второй входы, соответствен но, с выходов, генератора 1 и формирователя 2. В свою очередь, последовательность импульсов, выбранная в первом канале через его первый вспомогательный ключ 14, поступает во второй канал и уже ддя него является входящей и т.д.

Очевидно, что временной интервал между импульсами каждой новой после,овательности больше, чем интервал между импульсами входящей последовательности, из которой формируется новая. Поэтому в части каналов, начиная с того, для которого временные интервалы между импульсами входящей последовательности достаточно велики, коды дешифраторов 13 будут превышать заданное значение N. В этих каналах помимо преобразования входящие последовательности пропускаются через вторые вспомогательные ключи 15 на соответствующие входы элемента или 9, а через него - на второй вход триггера 4 управления. Если ни в одном из каналов вторые вспомогательные ключи 15 не будут открыты то на элемент ИЛИ 9 и через него на триггер 4 будут поступать импульсы с выхода первого вспомогательного ключа 1.4 последнего канала.

Триггер 4 по первому пришедшему на его второй управляющий вход им-

пульсу открывает, а по j-му закрывает первый и второй ключи ,5 и 6, причем j-му импульсу предшествует сигнал, поступающий на первый вход триггера 4 и сигнализирующий о превышении содержимого счетчика импульсов этсшонной частоты некоторого значения. В сформированном интервале счетчик 7 подсчитывает число N импульсов эталонной последовательности,

проходящих через первый ключ 5, а счетчик 8 - число N. импульсов последовательности измеряемой частоты, проходящих через второй ключ б. Причём первылш подсчитанными счетчиками 7 и 8 импульсами являются импульсы, следующие непосредственно за теми совпавшими на входах элемента И 3 импульсами, которые вызвали появление первого импульса на выходе элемента

9 или с i-го канала. По подсчитанным .значениям рассчитывается неизвестная Частота fx

N;

fx -j;ffn- -

Работа устройства поясняется с помощью диаграммы, на которой последо- вательности разбиты на участки. Импульсы эталонной последовательности, назовем ее первой, с периодом изображены на трех участках и, г, (фиг.2). Для удобства определения импульсы эталонной посяедовательности пронумерованы, при этом в начале каждого участка показаны импульсы, находящиеся в конце предыдущегхз участка. Аналогичным образом на участках Б,э, 3 (фиг.2) представлены импульсы второй последовательности с периодом TX I/ XСовпадения импульсов первой и второй последовательностей образуют последовательность импульсов совпадений.

Импульсы совпадений группируются в пакеты. Временные интервалы между импульсами, входящими в пакеты, равны Т , т.е. величине периода первой по.следовательности. Между пакетами

образуются.интервалы, имеющие длительность, превышающую величину 2Тз. Это позволяет в первом канале из исходной последовательности совпадений выделить либо первые, либо последние импульсы пакетов импульсов совпадений, так как эти импульсы образую границы интервалов, длительность которых отличается от.длительности соседних с ним интервалов. В частности на диаграмме это импульсы с номерами

0,4,8,11,15,18 и 22.

В произвольном случае совпадения реализуются не при одинаковом взаимном расположении совпадающих импульсов первой и второй последовательносгей. Если принять за начальное срстояние взаимное положение импульсов первой .и второй последовательностей некоторого произвольного совпадения то в следующи с совпадениях наблюдается смещение совпадающих импульсов по сравнению с начальным состоянием. На пример, если на диаграмме принять за начальное состояние совпадение, реализуемое импульсом О первой последовательности, то импульс 4, реализующий первое совпадение за началь ным, имеет смещение сЛТд , импульс 8 реализующий второе п 2 совпадение имеет смещение сУТр (2 и т.д Очевидно, что для первого совпаде ния, или что то же самое для ближайших совпадений, имеет место равенство: 1-Тэ-- ;т,., (2) где Wj и Nj - число периодов соответ ственно первой и второ последовательностей между ближайшими совпа дениями; оЧр - погрешность задания ин TepBaJja между совпадениями. Учитывая, что для ближайших совгадсний имеет место равенство , можно записать после подстановки выражения ( 3 ) в ( 2 ) N -l2Ll Тз-Т, при Т,Т., . (4) Для ггроизвольного совпадения п имее место следующее соотношение . п Т N(nhN.nЧисло Мз (п)определяе.т и номер импульса первой последовательности, на котором реализовалось п-е совпадение. В первом канале выделяется последовательность импульсов совпс1дений,имеющих номера N (п) . Эта последовательность поступает во второй кана Как уже отмечалось, для каждого совпадения, следующего за начальным, с увеличением номера п возрастает и величина смещения сЛт(п) nd4jl . В свя зи с тем, что смещение dT(h) увеличивается, интервал между тем импульсом первой последовательности, который имеет номер N(п)-1 и предшествует импульсу совпадения и ближайшим к нему импульсом второй последовательности уменьшается на такую же величину. Очевидно, что существует такое чйрло 2, при котором выполняется неравенство ,, (И из которого следует неравенство T,.. Т. (7, Это означает, что импульс первой последовательности, имеющий, номер ;Ng Е-1, также совпадает с импульсом второй последовательности. При этом временной интервал между 2-м совпадением, реализованным на импульсе первой последрватель.нрсти с номером N -1, а не с номером NgP, и (2-1)-м совпадением, реализованным на- H(e-i) -м импульсе пер- , вой последовательности, равен , а не Т, эТэ, как это имеет место для остальных интервалов между совпадениями. Таким образом, имеет место интервал между совпадениями, длительность которого отличается от длительности соседних аналогичных интервалов. Если совпадение с номером принять за начальное и вновь продолжить аналогичный анализ, то можно получить очередной интервал между совпадениями, длительность которого отличается от соседних. Таким образом, имеет место последовательность указанных интервалов, имеющих длительности, отличные от длительностей аналогичных соседних с ними интервалов, что легко поясняется с помощью диаграммы (фиг.2). Совпадение , реализуемэё четвертым импульсом, имеет смещение (fT|l (фиг.2в), совпадение имеет смещение 2( и реализуется на восьмом импульсе. Однако совпадение Г1 3 реализовано не на двенадцатом импульсе, как этого следовало ожидать, а на одиннадцатом (фиг.2е). При этом реализуется интервал между совпадениями, равный , а не , как это имеет место для предшествующих совпадений. Совпадения ,16,18, 19,20 приведены на(,фиг.2и). Во втором канале из последовательности импульсов выделяют те, которые образуют началь гые (или конечные ) rpa-i ницы-интервалов Т между совпадениями, длительность которых отличается от длительности соседних интервалов. Временной интервал между импульсами, выделяемыми вторым каналом, определится следующим образом. На основании равенства (б ) ьюжно получить о Ч откуда с учетом равенства (4) имеем N;IT,-T,)-T, Тогда число Nj периодов Т между совпадениями, выбираемыми вторым каналом, определяется следующим соотношением№ Ne-1 N -il-J 1-м . а ,-ri . ЗМ-(Т,-Т,Х Рассмотрим для сравнения результаты измерения частоты предлагаемым и известными устройствами. Как видно из фиг.2, при вибраннрм сочетании периодов Tj и Ту , точные совпадения реализуются на 0-м и 18-м импульсах эталонной последовательно ти . Между точными совпадениями укладывается соответственно и N 23 (фиг.2и) периодов эталонной последовательности и последовательности измеряемой частоты. Имеет место равенство 23 Тэ, из которого /получается f . Э .точное значение измеряемой частоты В первом кансше предлагаемого уст ройства из всех совпадений будут выделены импульсы с номерами 0,4,8,11 15, 18 и 22, во втором канале - О, 11, 18, в третьем - 0,18. Таким обр зом, третий канал выделит импульсы, которые реализуют точные совпадения Совпадения, выделяемые во втором третьем каналах обеспечивают наибол высокую точность в пределах значений Nj 22. Действительно, для импульсов, выделенных в первом канале, в частности для импульсов с номерами О и 4; 4 и 8, имеем или f rf3 1,25f9 импульсов с номерами 8и 11, 15и 18 или l,3(3)f3. Для импульсов, выделенных во втором канале, в частности с номерами О и 11, имеем 14Т,, 11Тэ b27(27)f3. для импульсов с номерами 11 и 18 ,, 1 ,285714f3. Однако необходимо отметить, что импульсы, выделенные в первом канале могут давать более точные совпадения чем произвольно взятые импульсы совпадений в известных устройствах, даже если у последних мерный интервал больше. Для импульсов с номерами О и 9 имеем . 1.2(2)f3. Таким образом, рассматриваемый пример показывает, что применение последовательного выделения импульсов совпадений последовательной цепочкой каналов позволяет обеспечить более высокую точность измерений по сравнению с известными устройствами. Формула изобретений Устройство для измерения частоты. содержащее генератор эталонной частоты, два ключа, счетчики импульсов эталонной и измеряемой частот, триггер управления и формирователь импульсов измеряемой частоты, вход которого соединен с входной шиной устройства, -выход генератора эталонной частоты соединен с входом первого ключа и первым входом элемента И, второй вход которого подключен к вы- ходу формирователя измеряемой частоты и входу второго ключа, управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого ключа и выходом григгер-а управления, выходы первого и второго ключей соединены соответственно со счетными входами счетчика импульсов эталонной частоты и счет-. чиком импульсов измеряемой частоты, выход счетчика импульсов эталонной частоты подключен к первому входу триггера управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены.элемент ИЛИ и m каналов, в каждый из которых введены счетчик канала, регистр, дешифратор, блок сравнения кодов, первый и второй вспомогательные ключи, при этом в каждом канале выход счетчика канала соеди.нен с кодовым входом регистра и первым входом блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с входом дешифратора и выходом регистра, выход блока сравнения кодов соединен с управляющим входом первого вспомогательного ключа, а выход дешифратора соединен с управляющим входом второго вспомогательного ключа, в каждом канале, начиная с второго, управляющие входы счетчика канала, регистра и импульсные входы вспомогательных ключей соединены между собой и подключены к выходу первого вспомогательного ключа предыдущего канала, а управляющие входы счетчика канала, регистра и.импульсные входы вспомогательных ключей в первом канале соединены между собой и подключены к выходу элемента И, импульсные входы каждого счетчика канала соединены с выходом генератора эталонной частоты, выходы вторых вспомогательных ключей каждого канала и первого вспомогательного клича последнего канала соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу триггера управления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 409149, кл. G 01 R 23/10, 1974.

2,Авторское свидетельство СССР

451962, кл. G 01 R 23/02 (прототип)

№