CN101038295A - 转台速率等精度测量方法和测量装置 - Google Patents

转台速率等精度测量方法和测量装置 Download PDF

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转台速率等精度测量方法与测量装置，属于对高精度转台进行测速技术领域，用一个晶振产生高频基准信号，将其与转台的待测脉冲信号分别送入两个计数器同时计数，当预置采样时间开始时，两个计数器并不立即开始计数，而是等到待测信号的上升沿到来时才同时开始计数，当预置采样时间结束时，两个计数器也并不立即停止记数，而是等到待测信号的上升沿到来时才同时停止计数，并向计算机发出中断请求。当计算机响应中断后，分别读出两个计数器的值，计算出反馈信号的频率，从而测量出转台的转速。本发明能够确保在整个测量的过程中精度保持一致，即使在转台低速转动的情况下，也能够精确测量出转速。

Description

转台速率等精度测量方法和测量装置
技术领域
本发明涉及测量高精度转台的转动速率技术领域。
背景技术
转台是标定、测试及检验惯性器件的设备，精度要求特别高。转台速率测量方法是：当转台以一定速率转动时，利用感应同步器或光栅盘等反馈元件输出一定频率的脉冲信号，此信号的频率与转台的转速之间存在着确定的比例关系，具体的比例依反馈电路或用户设置而定。只要准确测量出此脉冲信号的频率，按照比例关系，就可准确计算出转台的速率。这种测量方法的关键在于对脉冲信号频率测量的精确度。现有的频率测量方法是在预设的采样时间内，直接利用计数器采集反馈元件输出的脉冲个数，以计算出反馈信号的频率，然后根据此频率计算出转台的转速。该方法的缺点是，由于采样时间是固定的，因此可能会产生最大±1个字的记数误差。±1个字的记数误差对于高频的被测频率没有太大影响，但随着待测信号频率的降低，±1个字的记数误差产生的测量相对误差会越来越大。因此，这种直接测量频率的方法在整个测量范围内测量精度是变化的，特别是在转台低速转动时，由于输出的脉冲个数极少，无法准确测量出反馈信号的频率，也就不能准确计算出转台的转速值。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种能够等精度地精确测量转台速率的方法和测量装置。
本发明的方法的技术解决方案是：转台速率等精度测量方法，包括下列步骤：
(1)将转台的转动按转速固定比例转化为待测脉冲信号，用一个晶振产生高频基准信号，将高频基准信号与转台的待测脉冲信号分别送入各自对应的计数器；
(2)当预置采样时间开始时，两个计数器不立即开始计数，等到待测脉冲信号的上升沿到来时才同时开始计数；
(3)当预置采样时间结束时，两个计数器不立即停止记数，等到待测脉冲信号的上升沿到来时才同时停止计数，此时向计算机发出中断信号；
(4)当记数停止后，计算机分别读出两个计数器的值，计算出转台待测脉冲信号的频率，换算成转台速率。
本发明的装置的技术解决方案是：晶振产生的高频基准信号分成两路，一路高频基准信号接入第一计数器的输入端，另一路高频基准信号经过分频器分频为预置采样时间的周期性方波信号接入D触发器的输入端，反馈元件安装在转台上，将转台的转动转化成待测脉冲信号，待测脉冲信号分成两路，一路待测脉冲信号接入D触发器的时钟端，另一路待测脉冲信号接入第二计数器的输入端，D触发器的输出端同时与所有计数器的门控端相连，并与计算机相连，当D触发器的输出端为负跳变时，向计算机发出中断请求；在D触发器的输出端为低电平期间，计算机分别从所有计数器中读出值，并进行数据处理。
本发明与现有技术相比的有益效果是：通过使用精确的高频基准信号来测量待测信号的频率，在预置的采样时间开始后，从待测信号的第一个上升沿处开始同时对高频基准信号及待测信号计数，在预置的采样时间结束后，在待测信号紧接着的一个上升沿处同时停止对高频基准信号及待测信号计数，通过已知的高频基准信号频率以及其计数值与待测信号的计数值进行计算，可以得出待测信号准确的频率。本发明测量的相对误差与待测信号的频率大小无关，而只与实际采样时间ts和基准信号的频率fs有关，且相对误差小于1/tsfs。使用这种测量方法要想提高测量精度，只要能保证基准信号的频率fs足够高且采样时间ts足够长，就能保证测量相对误差足够小。对于一个实际的测量系统，可根据所需要的测量精度来确定ts和fs。当基准信号的频率为10MHz时，采样时间与测量精确度满足：
  采样时间   测量精确度
  10   10-7
  1   10-6
  0.1   10-5
当ts和fs有都固定下来后，相对测量误差就是一个固定值，即在整个测量范围内是相等的。特别是对于转台低速转动时，即使被测反馈信号的频率很低，本发明也能准确测量出其频率值，从而得到转台速率的精确值。
附图说明
图1为本发明测量方法的时序图；
图2为本发明测量装置的电路示意图；
图3为本发明中计算机所执行的主程序流程图；
图4为本发明中计算机所执行的中断服务子程序流程图。
具体实施方式
实施例1
(1)用感应同步器3将转台的转动转换为待测脉冲信号，当激磁信号的频率为2000Hz时，反馈信号的频率为2000±ΔfHz，其中的Δf就是转台的转速，符号表示转动方向。按照转动速率为0°/s对应脉冲信号2000Hz的固定对应关系转换。待测脉冲信号分成两路，一路待测脉冲信号接入由74LS74芯片构成的D触发器4的时钟端CLK端，另一路待测脉冲信号接入8254芯片5上的计数器T0的输入端CLK0端，如图2所示。
8254芯片5内部有3个相互独立的计数器T0、T1、T2，将其设定为方式2工作，每个计数器可单独进行16位的计数操作。由于基准信号的频率很高，在1s内约有107个脉冲，而16位计数器最多可以计65535个脉冲，直接使用16位计数器对基准信号计数会发生溢出错误，将8254芯片5计数器T1的输出端OUT1端接到计数器T2的输入端CLK2端，这样当计数器T1每次计满回零时，会发出一个进位脉冲到计数器T2的输入端CLK2端，从而构成了一个32位的计数器，其在1s内最多可以计4294967295个脉冲，可以满足对10MHz的基准信号进行计数。待测信号的个数nx用16位的计数器T0来计数就可以满足要求。
(2)用一个精度为10-8，频率为10MHz晶振1产生基准信号，基准信号分成两路，一路基准信号接入8254芯片5上的计数器T1的输入端CLK1端；另一路基准信号经过分频器2分频为1Hz的预置采样时间周期性方波信号，接入由74LS74芯片构成的D触发器4的输入端D端；D触发器4的输出端Q端同时与计数器T0的门控端GATE0端、计数器T1的门控端GATE1端、计数器T2的门控端GATE2端相连，并接入控制计算机的外部中断接口。
(3)74LS74芯片构成的D触发器4对输入的预置采样时间的信号及待测信号进行同步，D触发器4在每个CLK端的上升沿采样D端的电平，并使输出端Q端与D端的电平一致。
如图1所示。系统开始工作后，D触发器4在待测信号的每个上升沿采样D端电平。当预置采样时间的信号由低电平变为高电平后，D触发器4在此后待测信号的第一个上升沿将各计数器的GATE端由低置高，各计数器同时开始计数，实际采样时间开始。当预置采样信号由高电平变为低电平后，D触发器4在此后待测信号的第一个上升沿将各计数器的GATE端由高置低，各计数器同时停止计数，实际采样时间结束。
(4)当记数停止后，用控制计算机分别读出各计数器的值。用STD工控机作为控制计算机，将上述电路做成标准的STD板卡，作为用户目标板插入STD机笼中。将8254芯片5中三个计数器的数据线D0～D7和地址线A0～A2分别接到STD工控机的数据线和地址线，直接由STD工控机的CPU实现数据置入、读出和计算。
将D触发器4的Q端接入STD工控机的INT9端，在每次采样结束后即Q端的下降沿，向CPU发出中断请求。在Q端为低电平期间，CPU分别从8254芯片5的三个计数器中读出值，并做数据处理。
如图3和图4所示，主程序在计算机启动后完成对8254芯片的初始化、设置中断向量和打开中断允许后，便可进行其它工作；当CPU收到INT9中断后发出中断响应，进入中断服务子程序，中断服务子程序运行时，CPU从8254芯片的三个计数器中读出计数值，计算出基准信号和被测信号的脉冲个数，从而计算出被测信号频率，然后计算出转台的速率值后，返回主程序。在本次测量中，待测信号的记数值nx为1001，基准信号的记数值ns为5002499，基准信号的频率fs为10MHz，则待测信号的频率fx为：
f x = n x n s f s = ( 1001 / 502499 ) × 10 M = 2001 Hz
将此频率值减去激磁的频率值2000Hz，可计算出转台的速率值为1°/s，为正向转动。
计算完成后CPU退出中断服务子程序，继续进行其它工作。
实施例2
(1)用光栅盘3将转台的转动转换为待测脉冲信号，按照转速1°/s对应脉冲信号100Hz的固定比例转换，待测脉冲信号分成两路，一路待测脉冲信号接入由74LS74芯片构成的D触发器4的时钟端CLK，另一路待测脉冲信号接入8254芯片5上的计数器T0的输入端CLK0端，如图2所示。
8254芯片5内部有3个相互独立的计数器T0、T1、T2，将其设定为方式2工作，每个计数器可单独进行16位的计数操作。由于基准信号的频率很高，在1s内约有107个脉冲，而16位计数器最多可以计65535个脉冲，直接使用16位计数器对基准信号计数会发生溢出错误，将8254芯片5计数器T1的输出端OUT1端接到计数器T2的输入端CLK2端，这样当计数器T1每次计满回零时，会发出一个进位脉冲到计数器T2的输入端CLK2端，从而构成了一个32位的计数器，其在1s内最多可以计4294967295个脉冲，可以满足对10MHz的基准信号进行计数。待测信号的个数nx用16位的计数器T0来计数就可以满足要求。
(2)用一个精度为10-8，频率为10MHz晶振1产生基准信号，基准信号分成两路，一路基准信号接入8254芯片5上的计数器T1的输入端CLK1端；另一路基准信号经过分频器2分频为1Hz的预置采样时间周期性方波信号，接入由74LS74芯片构成的D触发器4的输入端D端；D触发器4的输出端Q端同时与计数器T0的门控端GATE0端、计数器T1的门控端GATE1端、计数器T2的门控端GATE2端相连，并接入控制计算机的外部中断接口。
(3)74LS74芯片构成的D触发器4对输入的预置采样时间的信号及待测信号进行同步，D触发器4在每个CLK端的上升沿采样D端的电平，并使输出端Q端与D端的电平一致。
如图1所示。系统开始工作后，D触发器4在待测信号的每个上升沿采样D端电平。当预置采样时间的信号由低电平变为高电平后，D触发器4在此后待测信号的第一个上升沿将各计数器的GATE端由低置高，各计数器同时开始计数，实际采样时间开始。当预置采样信号由高电平变为低电平后，D触发器4在此后待测信号的第一个上升沿将各计数器的GATE端由高置低，各计数器同时停止计数，实际采样时间结束。
(4)当记数停止后，用控制计算机分别读出各计数器的值。用STD工控机作为控制计算机，将上述电路做成标准的STD板卡，作为用户目标板插入STD机笼中。将8254芯片5中三个计数器的数据线D0～D7和地址线A0～A2分别接到STD工控机的数据线和地址线，直接由STD工控机的CPU实现数据置入、读出和计算。
将D触发器4的Q端接入STD工控机的INT9端，在每次采样结束后即Q端的下降沿，向CPU发出中断请求。在Q端为低电平期间，CPU分别从8254芯片5的三个计数器中读出值，并做数据处理。
如图3和图4所示，主程序在计算机启动后完成对8254芯片的初始化、设置中断向量和打开中断允许后，便可进行其它工作；当CPU收到INT9中断后发出中断响应，进入中断服务子程序，中断服务子程序运行时，CPU从8254芯片的三个计数器中读出计数值，计算出基准信号和被测信号的脉冲个数，从而计算出被测信号频率，然后计算出转台的速率值后，返回主程序。在本次测量中，待测信号的记数值nx为50，基准信号的记数值ns为5000000，基准信号的频率fs为10MHz，则待测信号的频率fx为：
f x = n x n s f s = ( 50 / 5000000 ) × 10 MHz = 100 Hz
按照预先设置的待测信号与转台转速的比例，可计算出转台的速率值为1°/s。
计算完成后CPU退出中断服务子程序，继续进行其它工作。
实施例3
(1)用感应同步器3将转台的转动转换为待测脉冲信号，当激磁信号的频率为2000Hz时，反馈信号的频率为2000±ΔfHz，其中的Δf就是转台的转速，符号表示转动方向。按照转动速率为0°/s对应脉冲信号2000Hz的固定对应关系转换。待测脉冲信号分成两路，一路待测脉冲信号接入由74LS74芯片构成的D触发器4的时钟端CLK端，另一路待测脉冲信号接入8254芯片5上的计数器T0的输入端CLK0端，如图2所示。
8254芯片5内部有3个相互独立的计数器T0、T1、T2，将其设定为方式2工作，每个计数器可单独进行16位的计数操作。由于基准信号的频率很高，在1s内约有107个脉冲，而16位计数器最多可以计65535个脉冲，直接使用16位计数器对基准信号计数会发生溢出错误，将8254芯片5计数器T1的输出端OUT1端接到计数器T2的输入端CLK2端，这样当计数器T1每次计满回零时，会发出一个进位脉冲到计数器T2的输入端CLK2端，从而构成了一个32位的计数器，其在1s内最多可以计4294967295个脉冲，可以满足对10MHz的基准信号进行计数。待测信号的个数nx用16位的计数器T0来计数就可以满足要求。
(2)用一个精度为10-8，频率为10MHz晶振1产生基准信号，基准信号分成两路，一路基准信号接入8254芯片5上的计数器T1的输入端CLK1端；另一路基准信号经过分频器2分频为0.1Hz的预置采样时间周期性方波信号，接入由74LS74芯片构成的D触发器4的输入端D端；D触发器4的输出端Q端同时与计数器T0的门控端GATE0端、计数器T1的门控端GATE1端、计数器T2的门控端GATE2端相连，并接入控制计算机的外部中断接口。
(3)74LS74芯片构成的D触发器4对输入的预置采样时间的信号及待测信号进行同步，D触发器4在每个CLK端的上升沿采样D端的电平，并使输出端Q端与D端的电平一致。
如图1所示。系统开始工作后，D触发器4在待测信号的每个上升沿采样D端电平。当预置采样时间的信号由低电平变为高电平后，D触发器4在此后待测信号的第一个上升沿将各计数器的GATE端由低置高，各计数器同时开始计数，实际采样时间开始。当预置采样信号由高电平变为低电平后，D触发器4在此后待测信号的第一个上升沿将各计数器的GATE端由高置低，各计数器同时停止计数，实际采样时间结束。
(4)当记数停止后，用控制计算机分别读出各计数器的值。用STD工控机作为控制计算机，将上述电路做成标准的STD板卡，作为用户目标板插入STD机笼中。将8254芯片5中三个计数器的数据线D0～D7和地址线A0～A2分别接到STD工控机的数据线和地址线，直接由STD工控机的CPU实现数据置入、读出和计算。
将D触发器4的Q端接入STD工控机的INT9端，在每次采样结束后即Q端的下降沿，向CPU发出中断请求。在Q端为低电平期间，CPU分别从8254芯片5的三个计数器中读出值，并做数据处理。
如图3和图4所示，主程序在计算机启动后完成对8254芯片的初始化、设置中断向量和打开中断允许后，便可进行其它工作；当CPU收到INT9中断后发出中断响应，进入中断服务子程序，中断服务子程序运行时，CPU从8254芯片的三个计数器中读出计数值，计算出基准信号和被测信号的脉冲个数，从而计算出被测信号频率，然后计算出转台的速率值后，返回主程序。在本次测量中，待测信号的记数值nx为9998，基准信号的记数值ns为50015008，基准信号的频率fs为10MHz，则待测信号的频率fx为：
f x = n x n s f s = ( 9998 / 50015008 ) × 10 MHz = 1999 Hz
将此频率值减去激磁的频率值2000Hz，可计算出转台的速率值为-1°/s，为反向转动。
计算完成后CPU退出中断服务子程序，继续进行其它工作。

Claims (9)

1、转台速率等精度测量方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)将转台的转动按转速固定比例转换为待测脉冲信号，用一个晶振产生高频基准信号，将高频基准信号与转台的待测脉冲信号分别送入各自对应的计数器；
(2)当预置采样时间开始时，两个计数器不立即开始计数，等到待测脉冲信号的上升沿到来时才同时开始计数；
(3)当预置采样时间结束时，两个计数器不立即停止记数，等到待测脉冲信号的上升沿到来时才同时停止计数，此时向计算机发出中断信号；
(4)当记数停止后，计算机分别读出两个计数器的值，计算出转台待测脉冲信号的频率，换算成转台速率。
2、根据权利要求1所述的转台速率等精度测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中用一个晶振产生高频基准信号是采用精度为10-8、频率为10MHz晶振产生基准信号。
3、根据权利要求1所述的转台速率等精度测量方法，其特征在于：所述步骤(2)与步骤(3)中两个计数器同时开始计数以及同时停止计数，通过D触发器74LS74芯片实现，将预置采样时间的信号送入D触发器的输入端，将待测脉冲信号送入D触发器的时钟端，将D触发器的输出端同时接到所有计数器的门控端。
4、转台速率等精度测量装置，其特征在于：晶振(1)产生的高频基准信号分成两路，一路高频基准信号接入第一计数器的输入端，另一路高频基准信号经过分频器(2)分频为预置采样时间的周期性方波信号接入D触发器(4)的输入端，反馈元件(3)安装在转台上，将转台的转动转换成待测脉冲信号，待测脉冲信号分成两路，一路待测脉冲信号接入D触发器(4)的时钟端，另一路待测脉冲信号接入第二计数器的输入端，D触发器(4)的输出端同时与所有计数器的门控端相连，并与计算机相连，当D触发器(4)的输出端为负跳变时，向计算机发出中断请求；在D触发器(4)的输出端为低电平期间，计算机分别从所有计数器中读出值，并进行数据处理。
5.根据权利要求4所述的转台速率等精度测量装置，其特征在于：所述的晶振(1)是精度为10-8、频率为10MHz晶振。
6.根据权利要求4所述的转台速率等精度测量装置，其特征在于：所述的第一计数器是由两个16位计数器串联而形成的一个32位的计数器。
7.根据权利要求4所述的转台速率等精度测量装置，其特征在于：所述的经过分频得到的周期性方波信号的频率为10Hz，或为1Hz，或为0.1Hz。
8.根据权利要求4所述的转台速率等精度测量装置，其特征在于：所述的D触发器(4)为74LS74芯片。
9.根据权利要求4所述的转台速率等精度测量装置，其特征在于：所述的计算机为STD工控机，将各计数器的数据线和地址线分别接到STD工控机的数据线和地址线，由STD工控机的CPU实现数据置入、读出和计算。
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