BG110557A

BG110557A - Method and device for limit accuracy measurement of frequencies of equitype periodic processes

Info

Publication number: BG110557A
Application number: BG10110557A
Authority: BG
Inventors: Генчо МИНЧЕВ; Татяна МИНЧЕВА
Original assignee: "Вг Обединени" Оод
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2010-10-29
Also published as: BG110556A

Abstract

The method, the device and the calculation procedures can be applied in measurements of a variety of technical and/or natural values, by means of periodic processes and/or frequency sensors - for accurate measurement devices, for medical diagnostic equipment, for technological control of organic production, for operative field biological control, etc. The accuracy is limited only by the non-eliminable natural phase noise of the measurement frequency sensors and/or periodic processes, and in this sense no other solution can achieve better results. The advantages of the invention are: accuracyalways approaching the fundamental natural limits, elimination of all sources of errors, inaccuracies and drift, "finality" of the decision and versatility of the device.

Description

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАTECHNICAL FIELD

Изобретението е приложимо към измервания на технически и/или природни величини със сензори и/или периодични процеси т.е. в областта на измерителната техника и автоматизацията.The invention is applicable to measurements of technical and / or natural quantities with sensors and / or batch processes, i. in the field of measuring technology and automation.

Изобретението е инициализирано от нерешени задачи на контролно-измерителното приборостроене вкл. на медицинската диагностична апаратура; на измерителите за технологичен контрол на био-производствата; на оперативния полеви био-контрол и др.The invention is initiated by unsolved tasks of instrumentation incl. medical diagnostic apparatus; the measuring instruments for technological control of bio-production; operational field bio-control, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION

Едва ли има по-богата на разнообразни решения друга област на измерителната техника от измерването на честоти. При съвременните честотни/резонансни микросензори обаче, не са важни самите честоти, а техните промени. Фундаменталното преимущество на микросензорите се базира на “еднаквостта” резултат от едновременното им производство в един процес. Пълната реализация на това преимущество не е осъществявана, тъй като не са използвани адекватни измерителни методи съответстващи на специфичния набор изисквания и особености, характерен за тези микросензори.There is hardly any other area of measurement technology that is more rich in diverse solutions than frequency measurement. However, in modern frequency / resonant microsensors, it is not the frequencies themselves that matter, but their changes. The fundamental advantage of microsensors is based on the "uniformity" of the simultaneous production of them in a single process. The full realization of this advantage has not been realized, since adequate measuring methods that meet the specific set of requirements and features specific to these microsensors have not been used.

Известен е и повсеместно се използва подход с разделяне на микросензора на измерителна и референтна част [1,2,3] и измерване на разликите между тях. Този подход използва “еднаквостта” на създаването, но не подържа “еднаквост” при работа/експлоатация. Измерителната и референтна част работят по различен начин (иначе между тях няма да има разлика, която да се мери) и се повлияват и променят различно. Преднамереното различие, с което са произведени, от една страна се влияе/варира от общата среда, а от друга постепенно се самопроменя/дрейфа. Такова половинчато използване на основното преимущество не реализира целият потенциал на микросензорите.An approach is known and widely used to separate the microsensor into a measurement and reference part [1,2,3] and measure the differences between them. This approach uses the "uniformity" of creation, but does not support "uniformity" in operation / operation. The measuring and reference parts work differently (otherwise there will be no difference to be measured) and are influenced and modified differently. The deliberate difference with which they are produced is influenced / varied by the general environment on the one hand and gradually changes / drifts on the other. Such half use of the main advantage does not realize the full potential of microsensors.

Изобретението разделя микросензора на четири части/елементи - две двойки - “измерителна” и “референтна”, което създава допълнителни възможности. Разликата между двата елемента на всяка от двойките, които елементи са произведени едновременно и работят напълно еднакво е съществено попостоянна. Всяка от двойките работи по различен начин, но еднакъв за нейните два елемента. Така, вътре във всяка двойка се оформя по една “по-постоянна” разлика.The invention divides the microsensor into four parts / elements - two pairs - "measuring" and "reference", which creates additional possibilities. The difference between the two elements of each pair, which elements are produced simultaneously and work exactly the same, is essentially constant. Each pair works differently, but the same for its two elements. Thus, a “more permanent” difference is formed within each pair.

Изобретението е частично базирано на измерването и сравняването на “РАЗЛИКАТА МЕЖДУ ДВЕ ВЪТРЕШНИ РАЗЛИКИ” - т.е. на разликата между елементите на “референтната” двойка и разликата формирала се между елементите на “измерителната” двойка. Всяка от тези две вътрешни разлики се влияе/варира от общата среда по еднотипен начин, но тяхното отношение не се променя от това влияние. Освен това, паралелната промяна и/или дрейф на всеки един от елементите на всяка от двойките също автоматически се самоизключва/елиминира при оформянето на вътрешната разлика за двойката. Изобретението балансира, компенсира, изключва двата основни източника на нестабилности - околната среда и износването - промените, стареенето, дрейфа и т.п.The invention is based in part on the measurement and comparison of "DIFFERENCE BETWEEN TWO DOMESTIC DIFFERENCES" - i.e. the difference between the elements of the "reference" pair and the difference formed between the elements of the "measuring" pair. Each of these two internal differences is influenced / varied by the general environment in the same way, but their relationship is not altered by this influence. In addition, the parallel change and / or drift of each of the elements of each pair is also automatically eliminated / eliminated when forming the internal difference for the couple. The invention balances, compensates, excludes the two main sources of instability - the environment and wear - changes, aging, drift, etc.

Известни са много микросензори съдържащи повече от един елемент (от 2 до 256), но никой от тях не е проектиран за работа по метода “разликата между две разлики”. Тези елементи или са всички различни (всеки сам за себе си [4]) или са напълно еднакви [2,5].Many microsensors containing more than one element (2 to 256) are known, but none are designed to operate on a "difference between two differences" method. These elements are either all different (each in itself [4]) or exactly the same [2,5].

Подходът “разликата между две разлики е успешно приложим към всякакви измервания базирани на четири или повече едновременно протичащи, еднотипни, асинхронни, невзаимодействащи периодични процеси от произволен тип.The "difference between two differences" approach has been successfully applied to any measurement based on four or more simultaneous, same-type, asynchronous, non-interacting periodic processes of any type.

Известни са много методи за измерване на няколко честоти и/или техните отношения, които съдържат в себе си основния недостатък на измерванията на само една честота необходимостта от еталонна честота, от еталонен периодичен процес принципно различен от измерваните процеси, влияещ се по принципно различен начин и имащ принципно различен дрейф, нестабилности и др. Това изключва повишаването на точността чрез компенсации - остава единствено да се повишава стабилността на еталона. Изобретението е напълно свободно от подобна еднопосочна ограниченост.Many methods for measuring multiple frequencies and / or their relationships are known, which include the major drawback of measuring only one frequency, the need for a reference frequency, a reference periodic process, fundamentally different from the measured processes, influenced in principle in a different way and having fundamentally different drift, instabilities, etc. This eliminates the increase in accuracy through compensation - it remains only to increase the stability of the standard. The invention is completely free from such one-way limitation.

Известни са и много методи за измерване на разлики на честоти, но всички те измерват “текущата” разлика, което не е подходящо за елиминиране влиянието на общата среда - т.е. при тях не се извършва паралелно акумулиране/натрупване на дрейфовете, промените, повлияването през продължителни интервали, и за всеки от периодичните процеси.Many methods for measuring frequency differences are known, but they all measure the "current" difference, which is not appropriate to eliminate the influence of the general environment - ie. they do not perform parallel accumulation / accumulation of drifts, changes, response at long intervals, and for each of the periodic processes.

Известни са различни схеми и методики специално ориентирани към MEMS-конструкции [6], включително с използване на цифрови синтезатори. Общ недостатък е използването на еталонни честоти. Освен това, при тях няма непрекъсната компенсация, акумулиране на текущите паралелни промени, с което може да се елиминира паразитното влияние на общата среда.Various schemes and methodologies are known specifically for MEMS constructions [6], including the use of digital synthesizers. A common disadvantage is the use of reference frequencies. In addition, they do not have continuous compensation, the accumulation of ongoing parallel changes, which can eliminate the parasitic influence of the general environment.

Всички известни решения задължително захранват с енергия, по най-различни начини, колебанията на периодичните процеси. Общ недостатък е, че тъй като възбуждането съществено влияе и променя честотите на процесите, то възниква неотстранима систематична грешка със значима величина, която грешка е трудно измериима и най-често неизвестна. Елиминирането на това влияние е възможно само при възбуждане осъществявано напълно-синхронно и съвсем-точно на централната/резонансната честота на всеки процес, което се осъществява от настоящото изобретение чрез двустепенна фазова компенсация.All known solutions necessarily supply energy, in various ways, fluctuations in periodic processes. A common disadvantage is that since excitation significantly affects and changes the frequencies of processes, an irreversible systematic error occurs of a significant magnitude, which error is difficult to measure and most often unknown. The elimination of this influence is only possible when the excitation is performed in a fully synchronous and exactly at the center / resonance frequency of each process, which is carried out by the present invention through two-phase phase compensation.

ПРИЛОЖЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОSUMMARY OF THE INVENTION

Измерване относителните честоти (отношенията на честотите) на няколко еднотипни, несинхронни и невзаимодействащи помежду си периодични процеса, които едновременно протичат в бавнопроменяща се, но хомогенна обща среда, упражняваща върху тях еднотипно влияние.Measuring the relative frequencies (frequency ratios) of several homogeneous, non-synchronous and non-intermittent periodic processes that simultaneously take place in a slowly changing but homogeneous general environment exerting the same type of influence on them.

ГРАНИЦИ НА ОБЛАСТА НА ПРИЛОЖЕНИЕSCOPE OF APPLICATION AREA

Изобретението е приложимо само за еднотипни периодични процеси, но типа на процесите може да бъде най-различен механични, електромеханични, пиезо-електрични, термични, химични, биохимични и т.н. Специфични за всеки тип процеси са актуаторите възбуждащи колебанията и регистриращите тези колебания чувствителни елементи. Останалите елементи на устройството, както и метода му на работа са универсални и еднозначно детерминирани от решаваната (еднотипна) задача.The invention is applicable only to the same type of batch processes, but the type of process can be various mechanical, electromechanical, piezoelectric, thermal, chemical, biochemical, etc. Specific to each type of process are the oscillators and the sensing elements. The other elements of the device as well as its method of operation are universal and uniquely determined by the solved (same-type) task.

Всички периодични процеси са в по-голяма или по-малка степен нелинейни (в природата не съществуват напълно линейни процеси). Евентуалния резонансен характер на процесите не променя приложимостта на изобретението, нито задачата и нейните особености, но променя количествено изискванията към измерванията, тъй като натрупаната в съответните резонанси енергия намалява интензитета на влияние от общата среда, както и скоростта/темпа на повлияване от общата среда. Флуктуациите на натрупаната в периодичните процеси енергия, заедно с флуктуациите на потока енергия, който захранва и подържа периодичните процеси, определят присъщия природен фазов шум на процесите.All periodic processes are more or less nonlinear (there are no completely linear processes in nature). The possible resonant nature of the processes does not alter the applicability of the invention, nor the task and its features, but changes quantitatively the requirements for measurements, since the energy stored in the corresponding resonances reduces the intensity of influence from the general environment, as well as the speed / rate of influence from the general environment. The fluctuations in the energy accumulated in the periodic processes, together with the fluctuations in the energy flow that feeds and maintains the periodic processes, determine the inherent natural phase noise of the processes.

Невзаимодействащи са периодични процеси, които не прехвърлят енергия помежду си, или когато енергията която прехвърлят в рамките на един период, е по-малка в сравнение с естествените флуктуации на възбуждащата ги енергия за същия период. Невзаимодействащи (слабовзаимодействащи) периодични процеси с достатъчно отличаващи се резонансни (централни) честоти не могат, и не се синхронизират помежду си. Периодични процеси чиято взаимна фаза е променлива, случайна или хаотична са също невзаимодействащи (слабовзаимодействащи).Non-interacting are periodic processes that do not transfer energy to one another, or when the energy they transfer within a single period is less than the natural fluctuations of their exciting energy during the same period. Non-interacting (weakly interacting) periodic processes with sufficiently different resonant (center) frequencies cannot and do not synchronize with each other. Periodic processes whose reciprocal phase is variable, random or chaotic are also non-interacting (weakly interacting).

Средата е бавнопроменяща се. когато измененията в нея достигат повлияваща периодичните процеси величина в продължение на брой периоди по-голям от броя периоди необходими за достигане на стационарно състояние от съответните периодични процеси.The environment is slowly changing. when the changes therein reach a periodically affecting magnitude over a number of periods greater than the number of periods necessary to reach a steady state from the corresponding periodic processes.

Средата е хомогенна, когато условията, в които поотделно протича всеки един от периодичните процеси, се отличават толкова малко, че влиянието на тези малки отличия върху параметрите на процесите се оказва под нивото на съответните природни флуктуации.The environment is homogeneous when the conditions under which each of the periodic processes take place differ so little that the influence of these small differences on the process parameters is found to be below the level of the corresponding natural fluctuations.

Областта на приложение включва всички измервания на технически и/или природни величини със сензори и/или периодични процеси нямащи абсолютен характер - т.е. това са практически всички измервания с “честотни” сензори. Основен общ подход в тази област е използването на допълнителни, неповлиявани от измеряемата величина сензори и/или периодични процеси, които се използват като еталонни или референтни. При такъв подход измерванията имат разностен (диференциален) характер - т.е. едновременно се измерват не само променените от измеряемата величина сензори и/или периодични процеси, но и референтните такива.The scope of application includes all measurements of technical and / or natural quantities with sensors and / or batch processes of absolute nature - ie. these are practically all measurements with "frequency" sensors. A major general approach in this field is the use of additional, non-measurable sensors and / or batch processes that are used as reference or reference. In this approach, the measurements have a differential (ie, differential) character. not only the sensors and / or periodic processes, but also the reference ones, are simultaneously measured.

“РЕШАВАЩ” ПРОБЛЕМA “SOLVING” PROBLEM

Два са източниците на затруднения в тази област на измерителната техника и с тях са свързани двата “решаващи” проблема за всеки метод и/или техническо решение. Първо, в общата среда винаги има паразитни, съпътстващи или универсални фактори повлияващи както измерителните, така и референтните сензори и/или периодични процеси, така че разграничаването на техните влияния от влиянието на измеряемата величина е сложен проблем, който става особено сложен в случаите когато нежелателните влияния имат характера на дрейф Второ, влиянието на измеряемата величина винаги е само една малка част от сумарното влияние на общата среда и отделянето му е труден проблем, особено когато се налага измерването на малка в абсолютен смисъл величина или когато е необходима висока точност.There are two sources of difficulty in this field of measurement technology, and they are related to the two “solving” problems for each method and / or technical solution. First, there are always parasitic, concomitant, or universal factors in the general environment affecting both measurement and reference sensors and / or periodic processes, so distinguishing their effects from the influence of a measurable quantity is a complex problem, which becomes particularly complicated in cases where the undesirable Second, the influence of a measurable magnitude is always only a small fraction of the total influence of the general environment and its separation is a difficult problem, especially when measuring small. in an absolute sense magnitude or when necessary precision.

ЦЕЛ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОOBJECT OF THE INVENTION

Метод, устройство и пресмятаща процедура за измервания, общата точност на които да е ограничена само и единствено от неотстранимия природен фазов шум на използваните периодични процеси.Method, apparatus and calculation procedure for measurements whose overall accuracy is limited only by the irreversible natural phase noise of the periodic processes used.

Фундаменталната природна граница (случайния фазов шум) е обща за всички методи и устройства и само в този тесен смисъл никое друго изобретение не може да постигне по-добър резултат.The fundamental natural boundary (random phase noise) is common to all methods and devices, and in this narrow sense alone no other invention can achieve a better result.

ЗАДАЧА НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОThe object of the invention

Постигане на целта на изобретението чрез елиминиране на всеки от източниците на грешки, неточности и дрейф със съответните, адекватни на точно този източник метод и/или техническо решение, а именно:Achievement of the object of the invention by eliminating each of the sources of errors, inaccuracies and drift with the appropriate method and / or technical solution adequate to that source, namely:

Влиянието на една бавнопроменяща се обща среда е паралелно, неотстранимо и еднакво, както за измерителните, така и за референтните сензори и/или процеси. Колкото и голямо и променливо да е това влияние едновременното-паралелноброене/акумулиране през подходящ дълъг интервал от време на отклика/реакцията (или паралелния дрейф) на всеки от сензорите и/или процесите формира еднотипни резултати (суми) от влияние. Измерителен резултат формиран само от отношенията на сумарните отклици на сензорите и/или процесите не съдържа влиянието на общата среда. Освен това в такъв резултат се елиминират и еднаквите за всички сензори и/или процеси коефициенти на реакция/отклик. които сами по себе си също силно се влияят от общите паразитни, съпътстващи или универсални фактори (температура, налягане и т.н.)The impact of a slowly changing general environment is parallel, irreversible and uniform, both for measuring and reference sensors and / or processes. As large and variable as this influence is, the simultaneous-parallel counting / accumulation over an appropriately long response / response time (or parallel drift) of each of the sensors and / or processes produces the same effect results (sums). A measurement result formed only by the relationships of the total responses of the sensors and / or processes does not contain the influence of the general environment. In addition, the response / response coefficients that are the same for all sensors and / or processes are eliminated. which themselves are also strongly influenced by common parasitic, concomitant or universal factors (temperature, pressure, etc.)

В допълнение, акумулирането (броенето) през подходящ дълъг интервал от време на М броя от периодите на един процес сумира неговия природен фазов случаен шум, което намалява породената от този шум грешка М^1/2 пъти.In addition, the accumulation (counting) over an appropriately long time interval of the M number of periods of a process sums up its natural phase random noise, which reduces the error generated by that noise by ^1/2 times.

Несинхронността на процесите изисква акумулирането (отчитането) не само на целите периоди, но и на непълните части от периодите, получили се в началото и в края на асинхронния интервал-за-измерване. Чрез старт-стопови интерполатори се достига необходимата за това точност (например <10'³).The non-synchronicity of the processes requires accumulation (reporting) not only of the whole periods, but also of incomplete parts of the periods, which occurred at the beginning and end of the asynchronous interval-for-measurement. Start-stop interpolators achieve the necessary precision (eg <10 ' ³ ).

©©

Приносите/влиянието от еднотипните нелинейности за всеки от еднотипните процеси се елиминират при пресмятането на първичните резултати, при условие че едновременнотопаралелно-броене се извършва при точно еднакво ниво на нелинейност на всички процеси. Подържането (включително и при калибриране) на постоянна и точно еднаква амплитуда на всеки от периодичните процеси (и съответно еднакви нелинейности) отстранява този източник на грешки.The contributions / effects of the same-type nonlinearities for each of the same-type processes are eliminated in the calculation of the primary results, provided that simultaneous parallel counting is performed at exactly the same level of nonlinearity of all processes. Keeping (including calibration) constant and exactly the same amplitude of each of the periodic processes (and correspondingly nonlinearities) eliminates this source of error.

©Възбуждането на колебанията на периодичните процеси (т.е. - захранването им с енергия) е неотменима функция на всяко измерващото устройство, която може съществено да повлияе и промени честотите на процесите. За да могат честотите да се определят само от параметрите на процесите и влиянието на общата среда е задължително възбуждането да се извършва напълно синхронно и съвсем точно на централната/резонансната честота на всеки процес. Елиминирането на влиянието на възбуждането с технически средства (понижаващи това влияние под нивото на неотстранимия природен фазов шум) е найвзискателната и най-трудно реализируемата част от решението.© The excitation of oscillations of periodic processes (ie - their energy supply) is an irreplaceable function of any measuring device, which can significantly influence and change the frequencies of the processes. In order for the frequencies to be determined solely by the parameters of the processes and the influence of the general environment, it is imperative that the excitation be performed completely in synchrony and exactly at the central / resonant frequency of each process. The elimination of the effect of excitation by technical means (lowering this influence below the level of the irreversible natural phase noise) is the most demanding and the most difficult part of the solution.

СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОSUMMARY OF THE INVENTION

Задачата на изобретението се решава с устройство (фигура 1) реализиращо метода и изпълняващо пресмятащия алгоритъм, състоящо се от: компютърна система (1) имаща необходимия капацитет за управлението, регистрацията и пресмятанията; генератор (2) на помощна честота много по-висока от измерваните; таймер (3) формиращ от тази честота интервала-за-измерване; синтезатор (4) на възбуждаща честота, работещ и като честотен сканер; фазов детектор (5); аналого-цифров преобразувател (6) с висока разделителна способност; както и от по два блока честотомер (7) и възбудител (8) - за всеки от задействаните еднотипни периодични процеси (за всеки от “канапите”).The object of the invention is solved by a device (FIG. 1) implementing the method and executing a computational algorithm, comprising: a computer system (1) having the necessary capacity for control, registration and computation; an auxiliary frequency generator (2) much higher than that measured; a timer (3) forming at this frequency the interval-to-measurement; an excitation frequency synthesizer (4) also operating as a frequency scanner; a phase detector (5); high resolution analog-to-digital converter (6); as well as two blocks of frequency (7) and exciter (8) - for each of the triggered one-time periodic processes (for each of the “sofas”).

Честотомерните блокове (7) се състоят от: “входни” управляващи вериги/схеми (7а); броячи на периодите на процесите (7Ь); старт-стопови интерполатори (7с) заедно с броячите (7d) за точно измерване на непълните части от периодите.Frequency blocks (7) consist of: "input" control circuits / circuits (7a); process period counters (7b); start-stop interpolators (7c) together with counters (7d) for accurate measurement of incomplete parts of periods.

Възбудителните блокове (8) се състоят от: усилватели (8а) на сигнала от чувствителните елементи (S) с възможност за прецизна фазова корекция; амплитудни детектори (8Ь) на сигнала от чувствителните елементи (S); регулатори (8с) поддържащи постоянна амплитудата на колебанията чрез управление на интензитета на възбуждането им; превключватели (8d) на режимите на Възбудителните блокове; N-кратни умножители (8е) на възбуждащата честота; фазови акумулатори (8f) формиращи цифровото значение на фазата на една N-пъти по-ниска честота; суматори (8д) добавящи дискретната фазова компенсация; постоянни памети - таблици (8h) на значенията на функцията “cos(<p)” в зависимост от цифровото значение на фазата;The excitation blocks (8) consist of: amplifiers (8a) of the signal from the sensing elements (S) with the possibility of precise phase correction; amplitude detectors (8b) of the signal from the sensing elements (S); regulators (8c) maintaining the constant amplitude of the oscillations by controlling the intensity of their excitation; Switches (8d) mode switches; N-fold excitation frequency multipliers (8f); phase accumulators (8f) forming the digital meaning of the phase at an N-fold lower frequency; adders (8e) adding discrete phase compensation; permanent memories - tables (8h) of the values of the function "cos (<p)" depending on the digital meaning of the phase;

цифро-аналогови преобразуватели (8к) генериращи синусоидалния сигнал възбуждащ периодичните процеси през актуаторите (А).digital-to-analog converters (8k) generating a sinusoidal signal that excites periodic processes through the actuators (A).

Всяка реализация на изобретението, за конкретни сензори и/или периодични процеси (Р), се отличава само и единствено със специфичните актуатори (А) възбуждащи колебанията и със специфичните чувствителни елементи (S) регистриращи тези колебания.Each embodiment of the invention, for specific sensors and / or periodic processes (P), is distinguished only by the specific oscillators (A) excited by the oscillations and by the specific sensing elements (S) recording these oscillations.

Действие на устройството: Компютърната система (1) изпълнява последователно действията на метода, като в рамките на всяко от тези действия управлява останалите блокове на устройството, оперативно обработва постъпилите от съответните блокове данни и на тяхна основа регулира периодичните процеси (Р) и настройва останалите блокове. Тя завършва всяко действие като регистрира междинни резултати за всички сензори и/или периодични процеси [(A)+(P)+(S)]. Като последно действие компютъра (1) извършва обработка/пресмятане на събраните резултати за получаване на окончателния резултат и оценката за неговата точност/погрешност.Device operation: The computer system (1) sequentially performs the method actions, managing each of the other blocks of the device within each of these actions, operatively processing the data received from the respective blocks and adjusting the periodic processes (P) on their basis and adjusting the other blocks . It completes each action by logging intermediate results for all sensors and / or batch processes [(A) + (P) + (S)]. As a last resort, the computer (1) processes / calculates the collected results to obtain the final result and evaluates its accuracy / error.

Първоначално, устройството работи в Режим I, а именно: синтезаторът (4) генерира честота зададена цифрово от компютъра (1) чрез 32-битов коефициент към честотата от генератора (2). Тази честота се подава като “възбуждаща” към съответния възбудителен блок (8), чийто превключвател (8d) е поставен в положение (I) - т.е. Режим I. Умножителът (8е) увеличава N пъти (типично 2¹⁰ < N < 2¹⁵) възбуждащата честота, и тази много по-висока честота се подава като тактов сигнал към фазовия акумулатор (8f), който формира 32-битовата цифрова фаза на една честота точно N пъти по-ниска - т.е. на честота точно равна на първоначалната/възбуждащата честота. Компютърът (1) предварително е изчислил/определил оптималния множител/делител, а именно: N ί (работната честота на фазовите акумулатори) / (честотата на периодичните процеси). В този режим, суматорът (8д) добавя само “нула” към тази фаза и с нейното, ограничено (например до 21-бит) значение, влиза в таблицата (8h). От тази “cos(tp)” таблица се получава цифровото значение (например 16-битово) за текущата амплитуда, която амплитуда се реализира/генерира от цифро-аналоговия © преобразувател (8к). Получилия се синусоидален сигнал, подаван към съответния актуатор (А), има честота и фаза напълно еднакви с тези на първоначалната възбуждаща честота генерирана от синтезатора (4) - т.е. възбудителния блок (8) по никакъв начин не променя входния сигнал - “прозрачен” е.Initially, the device operates in Mode I, namely: the synthesizer (4) generates a frequency set digitally by the computer (1) by a 32-bit factor to the frequency from the generator (2). This frequency is transmitted as "excitation" to the corresponding excitation block (8) whose switch (8d) is set to position (I) - i. Mode I. The multiplier (8e) increases N times (typically 2 ¹⁰ <N <2 ¹⁵ ) the excitation frequency, and this much higher frequency is sent as a clock signal to the phase accumulator (8f), which forms the 32-bit digital phase of the one frequency exactly N times lower - i.e. at a frequency exactly equal to the original / excitation frequency. The computer (1) has previously calculated / determined the optimal factor / divisor, namely: N ί (operating frequency of the phase accumulators) / (frequency of periodic processes). In this mode, the adder (8e) only adds "zero" to this phase and, with its limited (eg, up to 21-bit) value, enters the table (8h). From this "cos (tp)" table the digital value (eg 16-bit) is obtained for the current amplitude, which amplitude is realized / generated by the digital-to-analog © converter (8k). The resulting sinusoidal signal supplied to the respective actuator (A) has a frequency and phase exactly identical to those of the original excitation frequency generated by the synthesizer (4) - i. the excitation block (8) does not change the input signal in any way - it is "transparent".

Всеки един от периодичните процеси (Р) има своя централна/резонансна честота, на която трябва да бъдат възбуждани колебанията му. Намирането/определянето на тези работни честоти е първата стъпка на метода, която се изпълнява _ поотделно за всеки процес (Р). Компютъра (1) осъществява това ©Each of the periodic processes (P) has its center / resonance frequency at which its oscillations must be excited. Finding / determining these operating frequencies is the first step of the method, which is performed individually for each process (P). The computer (1) does this ©

като установява еднаква обща амплитудата на колебанията, която регулатора (8с) трябва да поддържа постоянна и започва сканиране по честота чрез синтезатора (4) през съответния възбудителен блок (8) работещ в “прозрачния” Режим I, като следи с високо-точния аналого-цифров преобразувател (6) нивото на възбуждане, което регулатора (8с) задава към цифро-аналоговия преобразувател (8к). Когато възбуждаща честота от синтезатора (4) се изравни с природната централна/резонансна честота на процеса (Р), регулатора (8с) “успява” да обезпечи зададената амплитуда на колебанията чрез едно минимално ниво на възбуждане - т.е. аналого-цифровия преобразувател (S) отчита (например с 24-битова точност) локален минимум и компютъра (1) регистрира съответстващата на този минимум възбуждаща честота (например с 32-битова точност) като централна/резонансна честота на съответния процес (Р).establishing the same total oscillation amplitude that the controller (8c) must keep constant and start frequency scanning through the synthesizer (4) through the corresponding excitation block (8) operating in "transparent" Mode I, following with the high-precision analog- the digital converter (6) the level of excitation that the controller (8c) assigns to the digital-to-analog converter (8k). When the excitation frequency of the synthesizer (4) is aligned with the natural center / resonance frequency of the process (P), the controller (8c) "manages" to provide the set oscillation amplitude by a minimum excitation level - ie. the analog-to-digital converter (S) reads (for example with 24-bit accuracy) the local minimum and the computer (1) registers the corresponding excitation frequency (for example with 32-bit precision) as the center / resonance frequency of the corresponding process (P).

Второто действие също се изпълнява поотделно за всеки процес (Р) и също в Режим I. При нея синтезаторът (4) генерира непрекъснато намерената при предходната стъпка съответна централна/резонансна честота, а компютъра (1) следи резултата от фазовия детектор (5), който резултат се получава от сравняването на регистрираните от чувствителният елемент (S) и усилени от усилвателя (8а) колебания на процеса (Р) и честотата от синтезатора (4) възбуждаща през “прозрачния” възбудител (8) тези колебания. Първоначално фазовия детектор (5) отчита/измерва фазовото закъснение/отместване натрупало се по дължината на пътя на възбуждане плюс пътя на регистрация - т.е. натрупалото се в умножителя (8е), фазовия акумулатор (8f), суматора (8д), таблицата (8h), преобразувателя (8к), актуатора (А), процеса (Р), чувствителния елемент (S) и усилвателя (8а), а компютъра (1) го регистрира. След това, компютърът (1) изчислява и подава допълнителната стойност на така регистрираното фазово закъснение/отместване във вид на дискретна фаза към суматора (8д), който го прибавя към цифровата фаза (примерно 32-битова) образувана от фазовия акумулатор (8f), осъществявайки по този начин почти пълна фазова компенсация. В резултат, или фазовия детектор (5) отчита нулева фазова разлика или компютърът (1) регулира добавяната дискретна фаза (с точност от ± един младши разряд) до постигане на минимална фазова разлика - т.е. на минимален сигнал от фазовия детектор (5). Така достигнататаThe second action is also performed separately for each process (P) and also in Mode I. In this case, the synthesizer (4) continuously generates the corresponding center / resonance frequency found in the previous step, and the computer (1) monitors the result of the phase detector (5). which result is obtained by comparing the oscillations of the process (P) recorded by the sensing element (S) and amplified by the amplifier (8a) and the frequency of the synthesizer (4) exciting through these "transparent" exciter (8). Initially, the phase detector (5) records / measures the phase delay / displacement accumulated along the excitation path plus the registration path - i.e. accumulated in the multiplier (8f), the phase accumulator (8f), the adder (8e), the table (8h), the converter (8k), the actuator (A), the process (P), the sensing element (S) and the amplifier (8a), and the computer (1) registers it. The computer (1) then calculates and supplies the additional value of the phase delay / offset so registered in the form of a discrete phase to the adder (8e), which adds it to the digital phase (for example, 32-bit) formed by the phase accumulator (8f). thus performing almost complete phase compensation. As a result, either the phase detector (5) detects a zero phase difference or the computer (1) adjusts the discrete phase added (to within ± one small bit) to a minimum phase difference - ie. of the minimum signal from the phase detector (5). So achieved

L13 дискретна фазова компенсация е една напълно постоянна компенсация, която не се повлиява от никакви фактори: промени на честотите, температурата, стойностите на елементите и т.н. Тази нейна “постоянност” дава възможност за допълването й с втора, много по-детайлна донастройваща компенсация, която възможност е съществена за постигане целта на изобретението.L13 discrete phase compensation is a completely constant compensation that is not affected by any factors: changes in frequencies, temperature, element values, etc. This "permanence" makes it possible to supplement it with a second, much more detailed adjusting compensation, which is essential for achieving the purpose of the invention.

Действието продължава, като компютърът (1) донастройва фазовата компенсация използвайки възможностите на усилвателя (8а) за ограничена фазова корекция. Тази много по-детайлна фазова компенсация се управлява аналогово от второ число (16битово) през интегриран в усилвателя (8а) цифро-аналогов преобразувател. На този етап, ефекта от подобряването на компенсацията вече се контролира/отчита като компютърът (1) следи показанията на аналого-цифровия преобразувател (6). Високата разделителна способност на този преобразувател (24бита) позволява много по-точното локализиране на минимума на възбуждането и достигане на неточност на фазовата компенсация по-малка от случайните природни фазови флуктуации (фазов шум) на периодичния процес (Р) - т.е. позволява много точното изравняване на двата сигнала.The operation continues as the computer (1) adjusts the phase compensation using the capabilities of the limited phase amplifier (8a). This much more detailed phase compensation is controlled analog by a second number (16 bit) through a digital-to-analog converter integrated into the amplifier (8a). At this stage, the effect of improving the compensation is already controlled / reported as the computer (1) monitors the readings of the analog-to-digital converter (6). The high resolution of this converter (24 bits) allows for a much more accurate localization of the excitation minimum and an inaccuracy of phase compensation less than the random natural phase fluctuations (phase noise) of the periodic process (P) - ie. allows very accurate alignment of the two signals.

Третото действие е преминаване към Режим II превключване на превключвателя (8d) от положение (I) в положение (II) докато устройството продължава да работи. Това превключване с нищо не повлиява работата му, тъй като и на двата входа на превключвателя (8d) се подават сигнали с напълно еднакви честоти и фази (изравнени в предходните стъпки), така че превключването не променя нищо.The third action is to switch to Mode II by switching the switch (8d) from position (I) to position (II) while the device continues to operate. This switch has no effect on its operation, since both inputs of the switch (8d) receive signals with exactly the same frequencies and phases (aligned in the previous steps), so the switch does not change anything.

При Режим II, във възбудителния блок (8) се установява една твърдо-фиксирана индивидуална обратна връзка. Действието на устройството в този режим протича така: Колебанията на периодичния процес (Р) се регистрират от чувствителният елемент (S), усилват се от (8а), честотата им се умножава N пъти в умножителя (8е), после се дели пак N пъти във фазовия акумулатор (8f) и през (8g), (8h), (8k) и актуатора (А) се подават (точно със собствената им честота) обратно към (Р). Вътре в този затворен кръг се добавя фазово закъснение (дискретно в (8д) и фино в (8а)), което точно изравнява фазите в чувствителния елемент (S) и в актуатора (А). Регулатора (8с) поддържа постоянна амплитудата на колебанията управлявайки интензитета на възбуждане чрез (8к). Така колебанията стават самоподържащи се - т.е. те сами тактуват подаването на енергия (дозираното възбуждане) към самите себе си, при това при нулева фазова разлика - т.е. “точно-на-резонанса”.In Mode II, a solid-fixed individual feedback is established in the excitation block (8). The operation of the device in this mode is as follows: The oscillations of the periodic process (P) are recorded by the sensing element (S), amplified by (8a), their frequency is multiplied N times in the multiplier (8e), then divided again N times in the phase accumulator (8f) and through (8g), (8h), (8k) and the actuator (A) are fed (at their own frequency) back to (P). A phase delay (discrete in (8e) and fine in (8a)) is added inside this closed circuit, which precisely balances the phases in the sensing element (S) and in the actuator (A). The controller (8c) maintains constant oscillation amplitude by controlling the excitation intensity by (8k). Thus, the fluctuations become self-sustaining - ie. they self-regulate the supply of energy (metered excitation) to themselves, with zero phase difference - ie. Exactly-on-resonance.

Тази обратна връзка е честотно-неутрална, тъй като ако честотата на процеса (Р) се промени (поради външно или друго въздействие), то се променя и честотата на сигнала от чувствителните елементи (S), която се умножава по N , дели се на N и пак същата се подава през актуаторите (А), така че нищо не се променя. Смисълът е в попътното добавяне на предварително намереното фазово закъснение за точна компенсация. Трудността и новостта е в постигането на свръх-точна (> 26-бит) и свръхстабилна (<10'⁷/°С) фазова корекция.This feedback is frequency-neutral, because if the frequency of the process (P) changes (due to external or other effects), then the frequency of the signal from the sensing elements (S), which is multiplied by N, is divided by N and again it is fed through the actuators (A) so that nothing changes. The point is to concurrently add the previously found phase delay for exact compensation. The difficulty and novelty is the achievement of ultra-accurate (> 26-bit) and ultra-stable (<10 ' ⁷ / ° C) phase correction.

Четвъртото действие има донастройващ характер и може да се повтаря многократно заедно със следващите две стъпки. То повтаря донастройката на фазовата компенсация извършена през второто действие, но за Режим II - т.е. възбудителните блокове (8) отново се донастройват на минимумите на възбужданията съответстващи на централните/резонансните честоти за всеки от процесите (Р).The fourth action is of a tuning nature and can be repeated repeatedly with the next two steps. It repeats the phase compensation adjustment made in the second action, but for Mode II - ie. the excitation blocks (8) are again adjusted to the excitation minima corresponding to the center / resonance frequencies for each of the processes (P).

В резултат, всичките еднотипни периодични процеси се оказват възбудени ^цточно-на-резонанса” и с еднаква амплитуда.As a result, all related batch processes themselves ^w excited right-of-resonance "with the same amplitude.

Петото действие на метода е измерително. Компютърът (1) определя интервала-за-измерване Т > (Φ/δ)² / f_o = L I f_o , където: Φ - фазовия шум на процесите; δ - търсената/желателната грешка на измерването; f_o - честота на генератора (2); L - цяло Q число (48-битово). Регистрираните от чувствителните елементи (S) колебания се усилват от усилвателите (8а) и се подават към честотомерните блокове (7), където се осъществява едновременното-паралелно-броене на периодите на всички процеси (Р). Интервала-за-измерване Т се формира от таймера (3) като L - броя периоди на честотата от генератора (2) и се подава едновременно към всички честотомерни блокове (7). Преминалите през “входните” вериги/схеми (7а) цели периоди (М-броя) на съответните процеси (Р) се броят/акумулират в _ броячите (7Ь). В началото и в края на интервала-за-измерване се задействат старт-стоповите интерполатори (7с), които измерват формиралите се непълни части от периодите като натрупват в броячите (7d) съответния брой периоди (Kstart и Kstop) от честотата на генератора (2).The fifth action of the method is measurable. The computer (1) determines the measurement interval T> (Φ / δ) ² / f _o = LI f _o , where: Φ is the phase noise of the processes; δ - the desired / desired measurement error; f _o - generator frequency (2); L is an integer Q number (48-bit). The oscillations recorded by the sensing elements (S) are amplified by the amplifiers (8a) and fed to the frequency units (7), where simultaneous-parallel-counting of the periods of all processes (P) takes place. The measurement interval T is formed by the timer (3) as L - the number of frequency periods by the generator (2) and is fed simultaneously to all frequency units (7). Whole periods (M-counts) of the respective processes (P) that have passed through the “input” circuits / circuits (7a) are counted / accumulated in _ counters (7b). At the beginning and at the end of the measurement interval, start-stop interpolators (7c) are activated, which measure the incomplete part of the periods formed by accumulating in the counters (7d) the corresponding number of periods (Kstart and Kstop) of the generator frequency (2 ).

Шестото действие на метода има незадължителен, контролен характер. В него се повтаря четвъртото действие - т.е. повтарят се донастройките на фазовите компенсации и се сравняват с предишните. Настъпилите евентуални изменения, появили се през времето-за-измерване и евентуално направили компенсацията непълна, се регистрират и на тяхна база се изчисляват евентуалните допълнителни грешки на измерените честоти. Липсата на промени или малката им величина потвърждава достигането на планираната точност.The sixth action of the method has an optional, control character. It repeats the fourth action - ie. the phase compensation adjustments are repeated and compared with the previous ones. Any changes that have occurred during the time-of-measurement and possibly made the compensation incomplete are recorded and, on their basis, any additional errors of the measured frequencies are calculated. The lack of changes or their small size confirms the achievement of the planned accuracy.

Ако търсената/желателната точност не бъде достигната, компютърът (1) повтаря действия четири, пет и шест многократно и осреднява техните резултати до постигане на точността, която е възможна при съществуващото ниво на неотстранимия природен фазов шум на измерваните периодични процеси.If the desired / desired accuracy is not reached, the computer (1) repeats actions four, five, and six times and averages their results to achieve the accuracy that is possible with the existing level of unstoppable natural phase noise of the measured batch processes.

Q В последното седмо действие компютърът (1) изчислява честотите на съответните процеси (Р) от честота на генератора (2) и акумулираните в броячите числа:Q In the last seventh action, the computer (1) calculates the frequencies of the respective processes (P) from the frequency of the generator (2) and the numbers accumulated in the counters:

f = +f = +

Отношенията на тези изчислени честоти не включват честотата f_oна помощния генератор (2) и не зависят от нейната нестабилност и/или грешка.The ratios of these calculated frequencies do not include the frequency f _o of the auxiliary generator (2) and are independent of its instability and / or error.

НОВОСТ ф Поотделно, всеки от блоковете от Фигура 1 е толкова известен, че практически е невъзможно да се намери и цитира първоначалното му използване. Освен това, много от блоковете са отдавна реализирани като интегрални схеми (усилватели, броячи, суматори, памети, ЦАП, АЦП, цифрови синтезатори и т.н.). Широко известни са и много от отделните елементи (похватите) на метода, а именно: Паралелното измерване на честоти; Броене на периодите на една честота за измерване на временни интервали, включително и за измерване на периодите и/или на части от периодите на други, по-ниски честоти; Измерване продължителността на периода на даден периодичен процес, след което честотата на процеса се изчислява; Стабилизация на амплитудата на периодични колебания чрез следяща обратна връзка; Компенсиране на натрупана фазова разлика във верига за обратна връзка и т.н.NEWS individually, each of the blocks in Figure 1 is so well known that it is practically impossible to find and cite its original use. In addition, many of the blocks have long been implemented as integrated circuits (amplifiers, counters, adders, memories, DACs, ADCs, digital synthesizers, etc.). Many of the individual elements (methods) of the method are also widely known, namely: Parallel frequency measurement; Counting the periods of one frequency to measure time intervals, including the measurement of periods and / or parts of periods of other, lower frequencies; Measuring the length of time of a batch process, after which the process frequency is calculated; Stabilization of the amplitude of periodic oscillations by following feedback; Compensating for the accumulated phase difference in the feedback circuit, etc.

Новостта на изобретението е в комбинацията от известни елементи и (методични) похвати съчетани във функционална връзка и съответстващи на специфичния набор изисквания и особености, характерен само за този тип задача. Съвместното реализиране на метода, устройството и пресмятащия алгоритъм © води до постигането на нов единен ефект - извършване на измервания, общата точност на които е ограничена само и единствено от неотстранимия природен фазов шум на използваните периодични процеси.The novelty of the invention is in the combination of known elements and (methodical) techniques combined in a functional relationship and corresponding to the specific set of requirements and features specific to this type of task only. The joint realization of the method, the device and the calculating algorithm © leads to the achievement of a new unified effect - making measurements, the overall accuracy of which is limited only by the irreversible natural phase noise of the periodic processes used.

В съчетаната комбинация от елементи, техническото решение обезпечаващо пълното премахване на влиянието на възбуждането на колебанията чрез една предварително намерена, задействана и твърдо-фиксирана честотно-неутрална индивидуална обратна връзка съдържаща точна компенсация на фазата с две нива ©дискретно и фино - е съществен и значим елемент.In the combined combination of elements, the technical solution ensuring the complete elimination of the influence of the oscillation of the oscillations through a previously found, actuated and firmly fixed frequency-neutral individual feedback containing accurate phase compensation with two levels © discrete and fine - is significant and significant element.

Новост е и самата задача, нейната цел и особено “фундаменталния” характер на критерия за достигането на целта (природния фазов шум), в който тесен смисъл никое друго изобретение не може да постигне по-добър резултат.What is new is the task itself, its purpose, and especially the "fundamental" character of the criterion for the attainment of the goal (natural phase noise), in which no other invention can achieve a better result in a narrow sense.

Важно и съществено е, че използваните елементи и похвати са съчетани балансирано и изравнено във функционалната си връзка, така че се обезпечава “съгласувано елиминиране” на всеки от източниците на грешки, неточности и дрейф.It is important and essential that the elements and techniques used are combined in a balanced and balanced way in order to ensure a "consistent elimination" of each of the sources of errors, inaccuracies and drift.

Признаци за изобретение: Изобретението несъмнено е промишлено приложимо и вече е реализирано. Изобретателска стъпка е решаването на ново-дефинирана и/или пре-дефинирана задача от общ/фундаментален характер, която е особено актуална за съвременното развитие на измерителната техника използваща твърдотелни микросензори които нямат абсолютен характер (найразработваните в момента). Универсалността на решението прави стъпката значима. Мерило за нивото на стъпката е “абсолютния/крайния” характер на постиганите чрез изобретението измервания, както и съразмерното вътрешно съгласуване водещо до нов единен ефект.SUMMARY OF THE INVENTION: The invention is undoubtedly industrially applicable and has already been realized. An inventive step is to solve a newly defined and / or redefined task of general / fundamental nature, which is especially relevant for the modern development of measuring equipment using solid-state microsensors that are not absolute (currently developed). The versatility of the solution makes the step significant. The step level criterion is the "absolute / final" nature of the measurements achieved by the invention, as well as the proportionate internal alignment leading to a new unified effect.

Предимства на изобретението: Точност на измерванията винаги достигаща до фундаменталните природни ограничения; Дефиниране на задачата третиращо всички източници на грешки, неточности и дрейф; Пълно и “окончателно” решение на задачата; Универсалност на решението и изобретението.Advantages of the invention: Measurement accuracy always reaches fundamental natural limits; Defining a task that addresses all sources of error, inaccuracy and drift; Complete and "final" solution of the task; The versatility of the solution and the invention.

ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОEXAMPLE FOR THE IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Изобретението може да се реализира с обикновени съвременни електронни компоненти за честоти до ~ 10 MHz.The invention can be realized with ordinary modern electronic components for frequencies up to ~ 10 MHz.

Конкретната задача на описвания пример е измерването на резонансните честоти на механичните колебания (Р) на четири (две двойки) еднотипни микроконзоли имащи различни резонансни честоти вследствие на различната им дължина и/или различната им маса в обща въздушна среда. Тази MEMS (micro electromechanical system) структура представлява комплексен био-сензор със свръх-висока чувствителност ( < 10 fg или < 10'¹⁴ грама). Възбуждащия колебанията актуатор (А) е единствен (пиезоелектрически ултразвуков излъчвател), но той изпълнява едновременно и по независим начин задачите на четириThe specific object of the example described is to measure the resonance frequencies of mechanical oscillations (P) of four (two pairs) of the same microcontroller having different resonant frequencies due to their different length and / or different mass in a common air environment. This MEMS (micro electromechanical system) structure is a complex ultra-high sensitivity (<10 fg or <10 ^'14 grams) bio-sensor. The oscillating actuator (A) is the only one (piezoelectric ultrasonic transmitter), but it simultaneously and independently performs the tasks of four

индивидуални актуатора (излъчва едновременно четирите възбуждащи честоти). Регистриращите резонансните колебания индивидуални чувствителни елементи (S) са пиезорезистори, вградени в микроконзолите, които генерират периодичен електрически сигнал съответстващ на периодичните механични изгъвания (колебания) на всяка от четирите микроконзоли.individual actuators (radiates four excitation frequencies simultaneously). The individual sensing elements (S) recording the resonance oscillations are piezoresistors built into the microcontrollers that generate a periodic electrical signal corresponding to the periodic mechanical bends (oscillations) of each of the four microconsoles.

В конкретната микроструктура резонансните честоти на механичните колебателни процеси (Р) на микроконзолите са ~ 65 kHz (50-80 kHz), а техния Q фактор възлиза на около 100 (т.е. механичните колебания натрупват поне 100 пъти повече енергия от тази, която се подава към тях от актуатора (А) за един период). Отношението сигнал/шум, с което пиезорезисторите (S) регистрират механичните колебания е > 2.0 10³ (SNR > 66dB). Природния неотстраним сумарен фазов шум от актуатора (А), колебателните процеси(Р) и пиезорезисторите^) е - -114dBc/Hz.In a particular microstructure, the resonant frequencies of the mechanical oscillation (P) of the microcontroller are ~ 65 kHz (50-80 kHz), and their Q factor amounts to about 100 (ie, the mechanical oscillation accumulates at least 100 times more energy than that which is submitted to them by the actuator (A) for one period). The signal-to-noise ratio by which piezoresistors (S) record mechanical oscillations is> 2.0 10 ³ (SNR> 66dB). The natural irreducible total phase noise from the actuator (A), oscillation processes (P) and piezo resistors ^) is -114dBc / Hz.

Универсалната апаратура на примерното изпълнение е съгласувано настроена към използваната MEMS структура, а именно: Коефициента на умножаване/делене на честотата N = 7690; Дискретната фазова компенсация е 14-бита (използваните фазови акумулатори имат тактова честота 1GHz, което обезпечава 14-битова ефективна точност на дискретната фаза за честоти ~65kHz) и се допълва с ефективни 13-бит от аналоговата фазова донастройка; Интервала-за-измерване е ~10 секунди (акумулират се около 10⁶ периода), което обезпечава намаляването на грешката от фазовия шум с - -606В; Интерполаторите се превключват да работят с 10nS стъпка (~10бита @ 65 kHz); Установяват се подходящи времеконстанти на честотните умножители и амплитудните контролери.The universal apparatus of the embodiment is coherently tuned to the MEMS structure used, namely: Frequency multiplication / division coefficient N = 7690; The discrete phase compensation is 14-bit (the used phase batteries have a clock frequency of 1GHz, which provides 14-bit effective discrete phase accuracy for frequencies of ~ 65kHz) and is complemented by an effective 13-bit analog phase tuning; The measurement-interval is ~ 10 seconds (about 10 ⁶ periods are accumulated), which ensures a phase noise reduction of -606B; Interpolators switch to 10nS increments (~ 10 bits @ 65 kHz); Appropriate time constants of the frequency multipliers and the amplitude controllers are established.

При използване в апаратурата на примерното изпълнение на обикновени съвременни електронни компоненти, за конкретната задача директно се постига: работен честотен диапазон 6kHz 1.5MHz; стабилност (не особено съществена) на помощната честота < 1ррт (<10·θ); приведено към входа ниво на шума на апаратурата <1.6 nV/ Hz¹'² (SNR > 80dB); подържане на постоянна и еднаква амплитуда с точност < Юррт (<10‘⁵); компенсация на фазовото закъснение с точност < 10ppb (< 10'⁸) или грешка вследствие неточна компенсация < -170dBc/Hz; добавящ се фазов шум от апаратурата < -103dBc/Hz (< -151dBc/Hz @ ~65kHz); фазови флуктуации от апаратурата < 0.7pS RMS (<10'¹²S); честотна грешка - “нула” (по определение); дискретна Q грешка (при избрана 10nS стъпка в интерполаторите) на отношенията на измерените честоти + 1ррЬ (<10'⁹ или -180dB).When used in the equipment of the exemplary implementation of ordinary modern electronic components, for the specific task directly achieved: operating frequency range 6kHz 1.5MHz; stability (not particularly significant) of auxiliary frequency <1 ppm (<10 · θ); input noise level of instrumentation <1.6 nV / Hz ¹ ' ² (SNR>80dB); maintaining a constant and uniform amplitude with precision <Yurt (<10 ' ⁵ ); Phase delay compensation accurate to <10ppb (<10 ' ⁸ ) or error due to inaccurate compensation <-170dBc / Hz; added phase noise from the apparatus <-103dBc / Hz (<-151dBc / Hz @ ~ 65kHz); instrument phase fluctuations <0.7pS RMS (<10 ^'12 S); frequency error - "zero" (by definition); discrete Q error (at 10nS step in interpolators selected) of the measured frequency ratios + 1ppb (<10 ' ⁹ or -180dB).

Температурните дрейфове на апаратурата (на примерното изпълнение) са: <30ррЬ/°С за фазовата разлика и <1ррт/°С за амплитудата. Приноса им се нулира непосредствено преди всяко измерване, така че за секундите през които измерването се извършва, температурните промени (при прогрята апаратура) не достигат и десета от градуса и не намаляват точността.The temperature drifts of the apparatus (of the exemplary embodiment) are: <30 ppm / ° C for the phase difference and <1 ppm / ° C for the amplitude. Their contribution is zeroed just before each measurement, so that for the seconds during which the measurement is made, the temperature changes (when the apparatus is heated) do not reach even tenths of a degree and do not reduce accuracy.

Грешката в резултата, образувала се вследствие от природния фазов шум на използваните резониращи микроконзоли, не превишава < -174dBc/Hz, като към нея апаратурата добавя: грешка от амплитуден шум <-190dBc/Hz и грешка от фазов шум < -210dBc/Hz. В резултат, отношенията на резонансните честоти на микроконзолите се измерват с грешка < -173dBc/Hz или < 2ppb/Hz ( ~2.2 10’⁹) определена основно от собствения им шум (-114dBc/Hz @ ~65 kHz), плюс дискретната неточност от ±1ррЬ. За честоти ~65 kHz това означава грешка от 0.036Hz или 0.56ррт.The error in the result resulting from the natural phase noise of the resonant microcontrollers used does not exceed <-174dBc / Hz, to which the apparatus adds: an amplitude noise error <-190dBc / Hz and a phase noise error <-210dBc / Hz. As a result, the ratios of the resonant frequencies of the microcontrollers are measured with an error <-173dBc / Hz or <2ppb / Hz (~ 2.2 10 ' ⁹ ), determined mainly by their own noise (-114dBc / Hz @ ~ 65 kHz), plus discrete inaccuracy from ± 1pB. For frequencies ~ 65 kHz, this means an error of 0.036Hz or 0.56 rpm.

С автоматично повтаряне на действия четири, пет и шест е възможно намаляване на грешката до ~8mHz или ~0.1 ppm (~10‘⁷).By automatically repeating steps four, five and six, it is possible to reduce the error to ~ 8mHz or ~ 0.1 ppm (~ 10 ' ⁷ ).

ЦИТИРАНА ЛИТЕРАТУРАREFERENCES

1. Sapsford К.Е., et al., 2008, Sensors for detecting biological agents”, Materials Today 11 (2): 38-49.1. Sapsford KE, et al., 2008, Sensors for detecting biological agents ”, Materials Today 11 (2): 38-49.

2. Boisen A. and Thundat T., 2009, “Design & fabrication of cantilever array biosensors”, Materials Today 12 (9): 32-38.2. Boisen A. and Thundat T., 2009, “Design & fabrication of cantilever array biosensors”, Materials Today 12 (9): 32-38.

3. Baller M.K., et al., “Cantilever sensors and transducers”, Patent WO 01/33226 A1,2001.3. Baller M. K., et al., “Cantilever sensors and transducers,” Patent WO 01/33226 A1,2001.

4. Stavrov V., et al., 2007. “Novel piezoresistive e-NOSE sensor array cell”, “4M2007 - Third International Conference on Multi-Material Micro Manufacture”, Borovets, Bulgaria, p. 347-349.4. Stavrov V., et al., 2007. “Novel piezoresistive e-NOSE sensor array cell”, “4M2007 - Third International Conference on Multi-material Micro Manufacture”, Borovets, Bulgaria, p. 347-349.

Today 8 (4): 30-36.Today 8 (4): 30-36.

6. Battiston et al., “Electronic frequency measuring device and its use”, USA Patent 6,411,075 B1, 2002.6. Battiston et al., “Electronic frequency measuring device and its use,” U.S. Patent 6,411,075 B1, 2002.

'MPSS f'MPSS f

Фигура 1 wFigure 1 w

yCT/’^^lTBO ЗА ПРЕДЕЛНО ТОЧНО ИЗМЕРВАНЕ НА _отноШ£^{ниЯ ЧЕСТ0ТИ НА} ЕДНОТИПНИ ПЕРИОДИЧНИyCT / '^^ lTBO FOR EMISSION accurate measurement of _o £ tnoSh ^{Nia CHEST0TI OF} PERIODIC uniform

Claims

COPYRIGHT CLAIMS

1. A method for measuring the frequency relations of the same periodic processes, characterized in that it consists of seven actions each followed by the registration of the results, in the first action the central resonant frequency of each process is found / determined, in the second action determines and compensates for the phase delay of each process, in the third action frequency-neutral feedback is activated for each process, in the fourth action the excitation of each process is set to be completely synchronous and at all its central / resonant frequency, in the fifth action all frequencies are measured simultaneously by continuous simultaneous-parallel-counting of the periods and the resulting parts of the periods of all the same periodic processes, in the sixth action the fourth action is repeated and in case of a possible difference between the results of the two actions are calculated by this error, in the seventh action the entire measurement is completed by calculating from all the recorded results the relations of the frequencies of the same type is periodic processes.

A method according to claim 1, characterized in that it repeatedly repeats the fourth, fifth and sixth actions and averages their results until the intended or possible accuracy is achieved.