RU1824597C - Измеритель длительности импульсов - Google Patents

Abstract

Применение, устройство относитс  к измерительной технике, в частности к измерител м временных интервалов. Сущность изобретени , устройство содержит два фильтра, два аналого-цифровых преобразовател , две схемы сравнени , четыре коммутатора , четыре регистра, генератор тактовых импульсов, счетчик, два вычитате- л  с соответствующими св з ми. 6 ил

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к измерител м временных интервалов.

Цель изобретени  повышение точности измерени  Гц.

На фиг.1 изображена схема измерител , на фиг.2 - схема фильтра первого формировател ; на фиг 3 схема фильтра второго формировател , на фиг.4, 5 - временные диаграммы, по сн ющие работу измерител , на фиг.6 - временные диаграммы, по сн ющие наличие положительного эффекта.

Устройство (фиг.1) содержит: 1. 2 - фильтр, 3,4- аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 5, 6 схема сравнени ; 7, 8 - коммутатор; 9, 10 -регистр, 11, 12-коммутатор; 13, 14 - регистр; 15 - генератор тактовых импульсов (ГТИ). 16 - счетчик; 17, 18

-вычитатель; 19. 20- формирователь; 21, 22

-блок регистрации времени (БРВ).

Фильтры 1, 2 (фиг.2, 3) соответственно содержат: 23. 24 - лини  задержки (ЛЗ); 25, 26 - усилитель. 27. 28 - сумматор.

При этом последовательно соединены первый формирователь 19 и первый БРВ 21,

а также второй формирова ель 20 и второй БРВ 22 Входом измерител   вл ютс  объединенные входы формирователей 19. 20. Выходы БРВ 21, 22 соединены с первым и вторым входами соответственно первого вычитател  17, последовательно соединенного с вторым входом второго вычитател  18, к первому входу которого подключена шина установки начального кода. Выход второго вычитател   вл етс  выходом измерител . Кроме того, выход генераторатакто вых импульсов 15 соединен с первым и вторым управл ющими входами первого 19 и второго 20 формирователей, со счетным входим счетчика 16 и входами записи первого 13 и второго 14 регистров соответственно первого 21 и второго 22 БРВ. Каждый фильтр 1, 2 (фиг. 1-3) состоит соответственно из N-отводной линии задержки 23, 24. входы которых  вл ютс  входами фильтров 1. 2. Лини  задержки обеспечивает шаг задержки Д и общее врем  задержки NAt. Шаг задержки At выбираетс  из услови  достижени  требуемой точности измерени  ru, а об (Л

С

00

го ел ю

XI

щее врем  задержки N At выбираетс  равным максимальной величине длительности импульса, измерение которого предполагаетс  осуществл ть. В фильтре 1 вход ЛЗ и все промежуточные выходы, кроме последнего , подключены к сумматору 27 непосредственно , а последний выход ЛЗ - через усилитель 25. Аналогично в фильтре 2 все выходы ЛЗ подключены к сумматору 28 непосредственно , а вход ЛЗ - через усилитель 26. Усилители 25, 26 имеют коэффициент усилени , равный двум, а сумматоры 27, 28 имеют N+1 вход каждый. Выходы сумматоров 27, 28  вл ютс  выходами фильтров 1, 2 соответственно и подключены к АЦП 3, 4 в каждом канале соответственно Тактова  частота FT ГТИ выбираетс  из услови 

FT- 1/At

(1)

АЦП преобразует поступающее на его вход с выхода фильтра напр жение из аналоговой формы в цифровую. На выходе АЦП формируетс  гп-разр дный код, поступающий на схему сравнени  5, 6 и коммутатор 7, 8. На элементах 5, 7. 9 первого 19 и 6, 8, 10 второго 20 формирователей реализуетс  схема, осуществл юща  последовательную процедуру выбора максимального значени .

БРВ каждого канала состоит из коммутаторов 11, 12 и регистров 13, 14. На входы записи регистров 13, 14 поступает тактова  частота с выхода ГТИ 15. БРВ регистрирует врем , выделени  максимального значени  напр жени , выбранного в формирователе.

Схема измерител  длительности импульса работает следующим образом:

В начале процедуры измерени  длительности импульсы регистры 9, 10 (фиг.1) формирователей 19, 20 соответственно, регистры 13, 14 блоков регистрации времени 21,22 соответственно и счетчик 1 б устанавливаютс  в нуль импульсом, поступающим на их входы Установка в нуль от схемы Обнуление по включению. Схема Обнуление по включению на фиг.1 не показана. На выходе вычитател  17 в начале процедуры измерени  устанавливаетс  нулевой код, соответствующий длительности Ги 0, так как операции вычитани  подвергаютс  нулевые значени  кодов, записанных iio включению в регистры 13, 14. На выходе вычитател  18 в начале процедуры формируетс  значение кода, соответствующее длительности . На втором входе схемы сравнени  5 формировател  19 с выхода регистра 9 и на втором входе схемы сравнени  б формировател  20 с выхода регистра

10 По включению устанавливаетс  началь ное пороговое напр жение Un 0.

Схема работает следующим образом.

Входной сигнал поступает на два филь- тра 1 (фиг. 1. 2) и 2 (фиг. 1, 3).

Импульсные переходные функции К 1, 2 (t) фильтров 1, 2, а также их реакции

/IIч

Uobix 1.2 (t), Увых 1.2 (t). Увых 1.2 (t)

на входные воздействи 

U BX (t), UBX (t), UBX (t)

соответственно изображены на фиг.4, 5.

Специальный вид переходных функций Ki(t) и K2(t), имеющих пьедестал и вершины , расположенные на разных концах пьедестала дл  Ki(t) и K2(t), приводит к тому,

что:

при любой длительности входного импульса - от минимальной дл  UBX (t) и до максимальной дл  Uex (t) - реакци  фильтра на их воздействи  имеют один единственный локальный максимум, что позвол ет говорить о максимуме выходного сигнала фильтров

М1 - дл  фильтра 1; М2 - дл  фильтра 2.

Максимумы М1 и М2 реакций 1-го и 2-го

фильтров оказываютс  прив занными к переднему фронту входного импульса, причем момент по влени  tMi на выходе 1-го фильтра сдвинут .относительно переднего фронта входного импульса на врем , равное Тлз, а момент по влени  tM2 максимума М2 на выходе 2-го фильтра сдвинут относительно переднего фронта входного импульса на врем , равное длительности импульса ти .

Отсюда можно заключить, что моменты twi. tM2 по влени  максимумов М1, М2 сдвинуты относительно друг друга на врем , равное

45

tM1 - tM2 Тлз - Ги ,

(2)

что позвол ет вычислить ти по данным tMi и

tM2.

С выхода фильтров 1, 2 выходные сигнэ- лы Uewxi(t) и UBb(x2(t) поступают на АЦП 3 и АЦП 4 соответственно.

Дл  обеспечени  работы АЦП 3 и 4 на их вспомогательные входы поступает тактова  частота FT, причем FT 1 / At.

На выходах АЦП 3 и 4 будут формироватьс  коды напр жений с выходов фильтров 1 и 2 соответственно, которые в цифровом виде (т - разр дный код) с периодом следовани , равным At 1/FT, поступают соответственно на схемы сравнени  5, б и коммутаторы 7, 8.

Процессы, проход щие в элементах 5,7, 9 и 6, 8, 10, аналогичны. Рассмотрим процедуру выбора максимума, осуществл емую в формирователе 19.

На первый вход схемы сравнени  5 поступает текущее значение напр жени , выделенное фильтром 1 и преобразованное АЦП 3. На второй вход схемы сравнени  5 поступает напр жение, хран щеес  в регистре 9, которое в начале процедуры устанавливаетс  равным нулю по включению. На выходе схемы сравнени  5 вырабатываетс  напр жение лог. О или лог. 1 в зависимо- сти от того, кака  из двух сравниваемых величин больше.

Если с выхода АЦП 3 поступает напр жение больше, чем записанное в регистре 9, то на выходе схемы сравнени  5 выраба- тываетс  напр жение, поступающее на управл ющий вход коммутатора 7, под действием которого выход АЦП 3 соедин етс  с входом регистра 9. Под действием тактовой частоты Fr, поступающей с выхода генератора 15 на вход записи регистра 9, вновь поступившее с АЦП 3 значение напр жени  запишетс  в регистре 9.

В следующем отрезке времени, равном As., вновь поступившее с АЦП 3 напр жение будет сравниватьс  с напр жением, ранее записанном в регистре 9, в данном случае с предыдущим. Если вновь поступившее значение оказалось, например, меньше, чем ранее записанное в регистре 9, то на выходе схемы сравнени  вырабатываетс  напр жение , поступающее на управл ющий выход коммутатора 7,под действием которого выход регистра 9 соединитс  с его входом. Под действием тактовой частоты Fr ранее запи- санное в регистре 9 значение вновь переписываетс  в него

Таким образом, если вновь поступившее с АЦП 3 значение напр жени  превышает по величине ранее записанное в регистре 9, то в регистре 9 записываетс  новое значение. Если новое значение напр жени , поступившее с АЦП 3, не превышает ранее записанное, то в регистре 9 регенерируетс  старое значение. Таким об- разом, к концу процедуры в регистре 9 будет находитьс  максимальное за все врем  процедуры выделенное фильтром 1 напр жение , т.е. реализуетс  последовательна  процедура выбора максимального значе- ни .

Все выше сказанное относительно процедуры выбора максимума в формирователе 19 в равной степени справедливо дл  формировател  20 с учетом разницы в нуме-

рации составл ющих ею отдельных элементов .

С выхода схемы сравнени  5 формировател  19 управл ющее напр жение поступает на коммутатор 11 блока регистрации времени 21. С выхода схемы сравнени  6 формировател  20 управл ющее напр жение поступает на коммутатор 12 блока регистрации времени 22. Блоки регистрации времени 21 и 22 фиксируют моменты выделени  максимального значени  в формировател х 19. 20 соответственно и работают соответственно под их управлением.

Блоки регистрации времени 21. 22 выполнены аналогично. Рассмотрим работу блоков регистрации времени на примере БРВ 21.

Выход регистра 13 и выход счетчика 16 подключены к входам коммутатора 11, на управл ющий вход которого приходит управл ющее напр жение со схемы сравнени  5 формировател  19.

В начале процедуры регистр 13 был установлен в нуль от схемы обнулени  по включению.

С приходом каждого тактового импульса Fr. счетчик 16 измен ет свое состо ние. На его выходе каждый период At мен етс  код времени. В те моменты времени, отсчитываемые счетчиком 16, когда с выхода АЦП 3 поступает напр жение, превышающе по величине ранее записанное в регистре 9. в БРВ 21 под действием управл ющего сигнала , поступающего со схемы сравнени  5, выход счетчика 16 соедин етс  через коммутатор 11 с регистром 13. Под действием тактовой частоты FT значение счетчика 16 записываетс  в регистр 13.

В те моменты времени, когда с выхода АЦП 3 поступает напр жение, не превышающее ранее записанное в регистре 13, в нем регенерируетс  ранее зафиксированное значение времени (кода).

Все выше сказанное относительно блока регистрации времени 21 в равной степени справедливо дл  БРВ 22 с учетом разницы в нумерации составл ющих элементов .

После окончани  входного импульса на выходе вычитател  17 формируетс  значение кода, соответствующее разнице во вре- мени AT выделени  максимального значени  в фррмирователе 191м 1 и времени выделени  максимального значени  в формирователе 20 tM2.

AT tM1-tM2,(3)

при этом на выходе вычитател  18 сформируетс  код времени, соответствующий длительности измер емого импульса ги

Гц - Тлэ - ЛТ

(4)

Дл  доказательства положительного эффекта необходимо конкретизировать вид фильтров прототипа. Учитыва  их назначение - формирование коротких вспомогательных импульсов в моменты времени, совпадающие с передним и задним фронтом входного импульса, можно предположить , что основной математической операцией, реализуемой этими фильтрами и определ ющей их свойство,  вл етс  дифференцирование входного импульса. Ввиду большого разнообрази  схемных решений, обеспечивающих в той или иной форме приближенную реализацию операции дифференцировани , целесообразно ограничитьс  рассмотрением идеальной дифференцирующей цепочки в качестве фильтров прототипа с тем отличием между ними, что в фильтре 2 дополнительно осуществл етс  инвертирование выходного сигнала дл  придани  вспомогательным импульсам одинаковой положительной пол рности

На Фиг.6 изображены временные диаграммы входного (измер емого) импульса на фоне флуктуационных выбросов входного шумового воздействи  (фиг 6а) и реакции на их воздействие, наблюдаемые на выходах первого (фиг. 66) и второго (фиг. бв) дифференцирующих фильтров прототипа. Форма полезного и помехового входных сигналов умышленно выбрана весьма простой - трапецеидальной и пилообразной с тем. чтобы подчеркнуть качественный характер проводимого доказательства положительного эффекта.

Из диаграмм видно что помимо двух полезных вспомогательных импульсов, обозначенных на фиг.6 буквами ПФ и ЗФ и св занных с передним и задним фронтами измер емого импульса соответственно, на выходе фильтров присутствует множество ложных импульсов, которые оесьма затруднительно отселектировать от полезных по каким-либо признакам и которые существенно искажают показани  измерите- л +прототипа.

Более того, в ситуации, изображенной на фиг.6, прототип вообще оказываетс  неработоспособным .

В то же врем  в насто щем измерителе вли ние флуктуационных выбросов на оценку длительности ги про вл етс  в значительно меньшей степени, что св зано с интегрирующим, а не дифференцирующим характером производимых здесь операций фиг.4, 5 Дл  подтверждени 

сказанного можно рассмотреть также флук- туационные выбросы, крутизна которых сравнима с крутизной фронтов полезного импульса, а мощность значительно меньше .

В этом случае вариации положени  максимумов Ml, M2 на временных диаграммах фиг. 4ж. 5ж, вызванные воздействием шумов , будут незначительными и сравнимыми

с периодом повторени  Т импульсов ГТИ 15 фиг. 1.

Таким образом, такие свойства насто щего измерител , как интегрирующий характер воздействи  фильтров 1, 2 на входной импульс, единственность максимумов М1, М2 в выходных сигналах фильтров 1, 2, способность в реальном масштабе времени фиксировать моменты tMi, tM2, по влени  максимумов М1, М2 в выходных сигналах фильтров 1,2, обеспечивают повышенную точность измерени  длительности выходного импульса

Claims (1)

1. Формулаизобретени 

   Измеритель длительности импульсов, содержащий генератор тактовых импульсов , счетчик и два формировател , входы которых  вл ютс  входами измерител , о тличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, в него введены два коммутатора , два регистра и два вычитател , причем выходы первого и второго формирователей подключены, к управл ющим входам соответственно первого и второго коммутаторов , первые входы которых, соединены с выходом счетчика, выходы первого и второго коммутаторов соединены с входами первого и второго регистров соответственно,

   выход первого регистра подключен к второму входу первого коммутатора и первому входу первого вычитател , выход второго регистра соединен с вторым выходом второго коммутатора и вторым входом первого

   вычитател , выход которого подключен к второму входу второго вычитател , к первому входу которого подключена шина установки начального кода, выход второго вычитател   вл етс  выходом измерител ,

   выход генератора тактовых импульсов соединен с первым и вторым управл ющими входами первого и второго формирователей , со счетным входом счетчика и входами записи первого и второго регистров, входы

   формирователей обьединены, причем каждый из формирователей содержит фильтр, аналого-цифровой преобразователь, схему сравнени , регистр и коммутатор, управл ющий вход которого соединен с выходом схемы сравнени ,  вл ющимс  выходом

   формировател  первый и второй управл ющие входы формировател  подключены соответственно к управл ющему входу аналого-цифрового преобразовател  и входу записи регистра, выход которого соединен с вторыми входами схем сравнени  и коммутатора, первые входы которых подключены к выходу аналого-цифрового преобразовател , вход фильтра  вл етс  входом формировател , а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразовател , выход коммутатора подключен к входу регистра, при этом фильтр первого формировател  содержит усилитель, (Ы+1)-входо- вой сумматор и N-отводную линию задержки, вход которой соединен с входом фильтра и первым входом (М+1)-8ходового

   0

   сумматора первые N-1 выходов N-отводной линии задержки соединены с входами с второго по N (М+1)-входового сумматора, N-й выход N-отводной линии задержки через усилитель подключен к(М 1)-му входу (N+1)- входового сумматора, выход которого  вл етс  выходом фильтра первого формировател , фильтр второго формировател  содержит N-отводную линию задержки , (Ы+1)-входовой сумматор и усилитель, вход которого соединен с входом N-отводной линии задержки и входом фильтра, а выход - с первым входом (М+1)-входового сумматора, остальные N входов каждого подключены к выходам N-отводной линии задержки, а выход  вл етс  выходом фильтра второго формировател 

   vE

   Вход 3

   Фиг. 2.

   IJ

   д) U бы,

   )

   uit

   М.

   ж) # /-W/

   Фиг. 4

   Вход 4

   Фиг.З

   - Ј

   Ј

   а)

   /(/)

   U l

   П

   Л) U fax г

   е) ,

   « м

   ,) // Л/ j

   )/ч

   в)

   JTL

   Ј

   Л-«

   П4

   Ш .пПЛ