RU2099865C1 - Способ измерения временных интервалов - Google Patents

Способ измерения временных интервалов Download PDF

Info

Publication number
RU2099865C1
RU2099865C1 RU93029170A RU93029170A RU2099865C1 RU 2099865 C1 RU2099865 C1 RU 2099865C1 RU 93029170 A RU93029170 A RU 93029170A RU 93029170 A RU93029170 A RU 93029170A RU 2099865 C1 RU2099865 C1 RU 2099865C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
interpolation
pulses
pulse
sequence
code
Prior art date
Application number
RU93029170A
Other languages
English (en)
Other versions
RU93029170A (ru
Inventor
А.В. Воронов
В.Ю. Приходько
Original Assignee
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им.В.И.Ульянова (Ленина)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им.В.И.Ульянова (Ленина) filed Critical Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им.В.И.Ульянова (Ленина)
Priority to RU93029170A priority Critical patent/RU2099865C1/ru
Publication of RU93029170A publication Critical patent/RU93029170A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2099865C1 publication Critical patent/RU2099865C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Unknown Time Intervals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в экспериментальной физике и оптической локации. Целью изобретения является повышение точности. Поставленная цель достигается тем, что длительность измеряемого временного интервала определяют с учетом скорректированных значений длительностей начального и конечного интерполяционных импульсов, для определения которых используют результаты предварительной калибровки, осуществляют путем формирования последовательности импульсов, период следования которых случаен, а длительность произвольна. 4 ил.

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к временным измерениям, и может быть использовано в экспериментальной физике и оптической локации.
Известен метод измерения временных интервалов, заключающийся в подсчете числа импульсов высокостабильного опорного генератора за измеряемый временной интервал. Основным недостатком метода, ограничивающим точность измерений временных интервалов, является конечная величина шага квантования шкалы времени, равная периоду T0 следования импульсов опорного генератора. Минимальное значение периода следования импульсов определяется достижимым быстродействием счетчиков импульсов [1]
Указанное ограничение преодолевается тем, что для интерполяции характеристики измерителя временных интервалов (ИВИ) внутри шага квантования грубой шкалы используются точные шкалы измерения. Обобщенная структура подобного интерполяционного ИВИ [1] приведена на фиг. 1, а временные диаграммы, поясняющие ее работу, на фиг. 2.
На вход ИВИ подается импульс, длительность которого равна измеряемому временному интервалу (диагр. (а) на фиг. 2). Логическое устройство (ЛУ) из последовательности импульсов опорного генератора, формирующего грубую шкалу времени (диагр. (б)), выделяет серию счетных импульсов, ограниченную передним и задним фронтом входного импульса (диагр. (в)). Количество импульсов подсчитывается в блоке грубого измерения (БГИ). На выходе БГИ образуется, таким образом, код грубой шкалы K, равный числу счетных импульсов.
Логическое устройство осуществляет также формирование двух импульсов, длительности которых подлежат интерполяции в блоках точного измерения БТИ (диагр. (г) и (д) на фиг. 2). Длительность начального интерполяционного импульса равна сумме временного интервала τ1 от переднего фронта входного импульса до первого следующего за ним импульса опорного генератора и некоторого постоянного временного интервала τ01, а длительность конечного интерполяционного импульса равна сумме временного интервала τ2 от заднего фронта входного импульса до первого следующего за ним импульса опорного генератора и некоторого постоянного временного интервала τ02. Постоянные значения τ01 и τ02 служат для установления малых длительностей интерполяционных импульсов. Их влияние может быть учтено при вычислении результата измерения или скорректировано в БТИ.
Каждый из БТИ можно функционально разделить на две части: интерполятор, преобразующий длительности начального и конечного интерполяционных импульсов в другую физическую величину, и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выполняющий ее кодирование. Выходной величиной интерполятора может быть амплитуда импульса, длительность импульса, разность фаз колебаний и другие. Методы преобразования коротких временных интервалов известны и освещены в литературе [1, 2, 3] На выходах БТИ образуются коды
Figure 00000002
соответствующие длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов τ1 и τ2
Вычислитель на основе выходных кодов блоков точного и грубого измерения выполняет расчет результата измерения:
Figure 00000003

Погрешность вычисления определяется только разрядностью вычислений и может быть сделана сколь угодно малой. В связи с этим допустимо считать вычислитель блоком, не относящимся к ИВИ, а выходными сигналами ИВИ считать выходные коды блоков грубого и точного измерения (фиг. 1). Тогда результат измерения определяется обработкой выходных кодов ИВИ по заданному алгоритму. Алгоритм вычисления зависит от конкретного вида характеристик блоков точного измерения.
В прецизионных ИВИ АЦП выполняются с равномерным шагом квантования, а интерполяторы с высокой степенью линейности характеристик [3] В этом случае характеристики интерполяторов представляются в виде:
yi= aioii)+bi, i = 1,2
где a, b параметры "масштаба" и "сдвига"; индекс i 1 относится к величинам, характеризующим БТИ начального интерполяционного импульса, а индекс i 2 относится к величинам, характеризующим БТИ конечного интерполяционного импульса.
Из (1) видно, что без ограничения общности постоянные интервалы τoi можно считать равными нулю, включив их в аддитивную составляющую aiτoi параметра "сдвига". Аналогично можно учесть параметры характеристики АЦП и считать, что процесс аналого-цифрового преобразования сводится к делению выходной величины интерполятора на T0 и взятию целой части от частного.
Поскольку начальный и конечный интерполяционные импульсы разделены во времени, то ИВИ может содержать один БТИ, общий для измерения длительностей как начального, так и конечного интерполяционных импульсов. Несмотря на известные достоинства такой структуры, имеется ряд причин [3] не позволяющих отказаться от симметричной структуры ИВИ с двумя БТИ.
На точность измерения интерполяционных ИВИ существенное влияние оказывает нестабильность параметров характеристик интерполяторов. Значительно снизить влияние нестабильности параметров на точность измерения позволяет предварительная калибровка интерполяторов.
Известен цифровой измеритель временных интервалов [4] реализующий способ калибровки, заключающийся в измерении временного интервала нулевой длительности. Однако такой способ имеет низкую точность калибровки (до единицы младшего разряда точной шкалы). Кроме того, он позволяет калибровать интерполяторы только по одному параметру характеристики.
Известен также преобразователь время-код [5] реализующий способ калибровки, который заключается в многократном измерении одного и того же эталонного интервала. Точность калибровки в данном случае зависит от точности поддержания эталонного интервала. Способ применим только к структуре с одним интерполятором.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ, реализованный измерителем временных интервалов [6] В соответствии с этим способом калибровка выполняется по набору эталонных импульсов, подаваемых на входы интерполяторов. При последующем измерении на основе данных, полученных в режиме калибровки, производится коррекция показаний измерителя.
Способ реализуется следующей последовательностью действий. В режиме калибровки формируется последовательность, состоящая из n эталонных импульсов длительностью tm mT0/j, где
Figure 00000004
j 2, 3,
Сформированная последовательность импульсов подается на входы интерполяторов. После преобразования в интерполяторах и кодирования на выходах БТИ образуются кодовые последовательности
Figure 00000005
которые запоминаются.
В режиме измерений длительность входного импульса преобразуется в три кода: K код грубого измерения,
Figure 00000006
код, соответствующий длительности начального интерполяционного импульса,
Figure 00000007
код, соответствующий длительности конечного интерполяционного импульса. Для каждого из кодов
Figure 00000008
выявляются две пары кодов
Figure 00000009
такие, что
Figure 00000010

На основе данных, полученных в режиме калибровки, вычисляются скорректированные значения длительностей начального и конечного интерполяционных импульсов:
Figure 00000011

Значение измеряемого временного интервала вычисляется по формуле:
Figure 00000012

Этому способу присущи следующие недостатки.
1. Точность калибровки зависит от точности формирования эталонных длительностей. Известные методы формирования временных интервалов либо сложны, либо не обеспечивают высокой точности. В частности, в прототипе используется цифровой синтезатор временных интервалов. Точность формирования интервалов цифровыми методами определяется точностью и стабильностью задержек сигналов в цифровых схемах.
2. Эталонные сигналы должны подаваться непосредственно на входы интерполяторов. Это приводит к необходимости коммутации сигналов между блоками ИВИ. Однако в цепях прохождения широкополосных интерполяционных импульсов коммутация крайне нежелательна из-за высокой чувствительности этих цепей к помехам и неоднородностям.
3. Кроме того, необходимость внутренней коммутации не позволяет реализовать способ измерения с использованием предварительной калибровки существующих приборов без измерения их внутренней структуры.
Заявляемое изобретение решает задачу создания способа измерения временных интервалов, характеризующегося одновременно высокой точностью и простотой реализации.
Сущность изобретения заключается в том, что значение измеряемого временного интервала вычисляется по формуле (1), где скорректированные значения начального и конечного интерполяционных импульсов определяются выражениями:
Figure 00000013

Здесь
Figure 00000014
коды, соответствующие длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов;
Figure 00000015
оценки параметров характеристик интерполяторов, полученные в результате предварительной калибровки.
Калибровка заключается в следующем. На вход ИВИ подается тестовая последовательность из n импульсов со случайным периодом. Длительность импульсов тестовой последовательности произвольна. В результате измерения длительностей импульсов тестовой последовательности на выходах начального и конечного БТИ интерполяционного ИВИ образуются кодовые последовательности
Figure 00000016
и
Figure 00000017
Оценку параметра "масштаба" получают по формуле
Figure 00000018

минимальные и максимальные элементы последовательностей
Figure 00000019
,
nMi и nNi количества элементов последовательностей, имеющих соответственно минимальное и максимальное значения.
Оценку параметров "сдвига" получают по формуле:
Figure 00000020

или по формуле
Figure 00000021

Отличие заявляемого способа от реализованного прототипом заключается в том, что
калибровочная последовательность эталонных импульсов с произвольным периодом и длительностями, принимающими заданные значения из диапазона длительностей интерполяционных импульсов, заменяется тестовой последовательностью импульсов со случайным периодом и произвольными длительностями;
тестовая последовательность подается не на входы интерполяторов, а на входы ИВИ;
запоминаемым результатом калибровки являются не кодовые последовательности, соответствующие эталонным длительностям, а оценки параметров характеристик интерполяторов
Figure 00000022
;
скорректированные значения длительностей интерполяционных импульсов вычисляются на основе оценок параметров характеристик интерполяторов.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, реализующей способ, повышение точности и надежности ее функционирования, что достигается за счет существенного упрощения формирования тестовых сигналов, а также исключения внутренних коммутаций в ИВИ.
Поясним, каким образом отличительные признаки обеспечивают достижение технического результата. Использование тестовой последовательности импульсов со случайным периодом следования, подаваемой на вход ИВИ, приводит к тому, что длительность интерполяционных импульсов является случайной величиной с равномерным на интервале [0, T0] распределением. На длительность импульсов тестовой последовательности ограничений не накладывается. Они могут быть известными, неизвестными и случайными.
На основе характеристик кодов, соответствующих интерполяционным импульсам, выполняется оценивание параметров характеристик интерполяторов. Тем самым осуществляется их калибровка. Точность калибровки определяется длиной тестовой последовательности.
В режиме измерений на основе оценок параметров характеристик интерполяторов, выполненных в режиме калибровки, производится коррекция кодов точного измерения.
Отметим, что полученные оценки параметров могут использоваться также для автоматической подстройки параметров интерполяторов. Регулирующее воздействие формируется из разностей номинальных значений параметров и их оценок.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерений путем предварительной калибровки, причем без изменений конструкции измерителя. Предварительная калибровка не требует эталонных прецизионных временных интервалов, а осуществляется последовательностью импульсов со случайным периодом и произвольной длительностью. Это позволяет использовать для калибровки последовательность импульсов измеряемой длительности при условии, что период их следования случаен. Режим калибровки и режим измерений отличаются при этом только алгоритмом обработки в вычислителе.
Предлагаемый способ без изменений применим к ИВИ с одним интерполятором, если в нем возможно разделение кодов, соответствующих длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов.
Одним из вариантов реализации предлагаемого способа является устройство, приведенное на фиг. 3. В его состав входят: генератор тестовой последовательности импульсов 1, интерполяционный ИВИ 3, управляемый коммутатор 2 и вычислитель 4.
Генератор тестовой последовательности импульсов является источником последовательности импульсов со случайным периодом следования.
Управляемый коммутатор (УК) служит для подключения к входу ИВИ генератора тестовой последовательности в режиме "Калибровка" и источника импульсов измеряемой длительности в режиме "Измерения".
Структура и особенности интерполяционного ИВИ были подробно описаны выше. При реализации способа может быть использован любой интерполяционный ИВИ, формирующий на выходе код грубого измерения, и коды, соответствующие начальному и конечному интерполяционным импульсам, например, из [2, 4, 6]
Вычислитель предназначен для задания необходимого алгоритма взаимодействия между блоками измерительной системы и выполнения вычислений. Он может быть реализован на основе микропроцессорной системы стандартной конфигурации.
Входным сигналом устройства является импульс измеряемой длительности. Сигнал "Сброс" служит для установки ИВИ в начальное состояние. Появление на выходе ИВИ кодов сопровождается сигналом "Готов".
Значения шага квантования грубого измерения T0, являющегося параметром ИВИ, и объема выборки n используются при вычислении результата измерения и должны быть предварительно занесены в память вычислителя. Входными сигналами вычислителя служат код грубого измерения K и коды, соответствующие длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов
Figure 00000023
а также сигнал "Готов", сигнализирующий о появлении кодов на выходе ИВИ. На выходе вычислителя формируется код оценки измеряемого временного интервала
Figure 00000024
который является выходным сигналом устройства. Сигнал "Упр" является управляющим для УК. Вычислитель обеспечивает функционирование устройства в двух режимах "Калибровка" и "Измерение" в зависимости от значения внешнего задающего сигнала "Калибр/изм". Внешний задающий сигнал может отсутствовать. Тогда управляющая программа вычислителя должна обеспечивать заданную последовательность смены режимов.
Устройство работает под управлением алгоритма, представленного на фиг. 4.
В память вычислителя предварительно заносятся значения T0 и n. Если внешним сигналом задан режим "Калибровка", то вычислитель устанавливает такое значение сигнала "Упр", что на вход ИВИ поступают импульсы от генератора тестовой последовательности. Вычислитель формирует сигнал "Сброс" и ожидает сигнал "Готов", а при его появлении записывает значения кодов
Figure 00000025
и
Figure 00000026
в память и увеличивает на единицу состояние счетчика объема выборки. Таким образом происходит накопление кодов, соответствующих измеренным длительностям импульсов тестовой последовательности. Цикл повторяется до момента равенства текущего объема выборки nT заданному n. После этого происходит анализ массивов
Figure 00000027
с целью выявления максимального и минимального элементов в каждом.
С этого момента устройство может переходить к режиму измерений.
В режиме "Измерения" вычислитель устанавливает такое значение сигнала "Упр", что на вход ИВИ поступают импульсы измеряемой длительности. Прием кодов происходит аналогично режиму калибровки. На основе запомненных оценок параметров характеристик интерполяторов
Figure 00000028
i 1, 2, по формуле (2) происходит вычисление скорректированных значений длительностей интерполяционных импульсов и по формуле (1) оценка измеряемого временного интервала.
При жестких ограничениях на объем памяти вычислителя нахождение максимального и минимального элементов кодовых последовательностей может выполняться без накопления всей последовательности, а путем сравнения каждого элемента с максимальным и минимальным элементами предшествующей последовательности.
В ряде случаев последовательность входных импульсов измеряемой длительности имеет случайный период следования и калибровка может производиться без применения генератора тестовой последовательности импульсов. Тогда генератор тестовой последовательности и УК отсутствуют. Отпадает необходимость в формировании сигнала "Упр". В остальном структура измерительной системы и алгоритм ее функционирования остаются прежними.
Описанный алгоритм может быть реализован на языке ассемблера любого микропроцессора при использовании известных приемов программирования.
Источники информации
1. Григорьев В.А. Колюбин А.А. Логинов В.А. Электронные методы ядерно-физического эксперимента. Учеб. пособие для вузов./Под ред. В.А. Григорьева. М. Энергоатомиздат, 1988, с.336:ил.
2. Мелешко Е.А. Наносекундная электроника в экспериментальной физике. М. Энергоатомиздат, 1987, с.216:ил.
3. Данилевич В.В. Чернявский А.Ф. Временные измерения в физическом эксперименте. М. Энергоатомиздат,1984, с. 104:ил.
4. Авторское свидетельство СССР N966662, кл. G 04 F 10/04. Цифровой измеритель временных интервалов/С.В. Денбновецкий, С.М. Кокошкин, В.А. Святненко, Ю. Е. Соломенко, А.Н. Шкуро (СССР) N3261084/18-21; Заявл. 17.03.81. Опубл. 15.10.82. Бюл.38.
5. Авторское свидетельство СССР N1562893, кл. G 04 F 10/04. Преобразователь время-код/А. И. Климов, А.Г. Морозов (СССР) N4338667/24-21; заявл. 08.12.87. Опубл. 07.05.90. Бюл.17.
6. Авторское свидетельство СССР N1241185, кл.G 04 F 10/04. Измеритель временных интервалов /С.В. Денбновецкий, С.М. Кокошкин, Ю.Е. Соломко, А.Н. Шкуро, Л.А. Худякова (СССР) N3761435/24-21; заявл. 26.06.84. опубл.30.06.86. Бюл.24.

Claims (1)

  1. Способ измерения временных интервалов, заключающийся в том, что импульс, длительность которого равна измеряемому временному интервалу, преобразуют с помощью интерполяционного измерителя временных интервалов (ИВИ) в код грубого измерения и коды, соответствующие длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов, а значение измеряемого временного интервала
    Figure 00000029
    определяют по формуле
    Figure 00000030

    где К код грубого измерений;
    Tо шаг квантования грубого измерения;
    τ - скорректированное значение длительности начального интерполяционного импульса;
    τ - скорректированное значение длительности конечного интерполяционного импульса,
    а для определения скорректированных значений длительностей начального и конечного интерполяционных импульсов используют результаты предварительной калибровки, включающей формирование из тестовой импульсной последовательности двух интерполяционных кодовых последовательностей, элементы первой из которых соответствуют длительностям начальных интерполяционных импульсов, а элементы второй соответствуют длительностям конечных интерполяционных импульсов, отличающийся тем, что при калибровке тестовую последовательность подают на вход интерполяционного ИВИ, при этом период следования импульсов тестовой последовательности задают случайным, затем в каждой из обеих интерполяционных кодовых последовательностей определяют минимальное значение ее элементов и определяют количества элементов, имеющих упомянутые минимальное и максимальное значения, а корректировочные параметры
    Figure 00000031
    являющиеся результатами предварительной калибровки, определяют в соответствии со следующими зависимостями
    Figure 00000032

    Figure 00000033

    или
    Figure 00000034

    где i ∈ (1,2) - номер интерполяционной кодовой последовательности;
    n количество импульсов тестовой последовательности;
    Ni максимальное значение элементов i-й интерполяционной кодовой последовательности;
    Mi минимальное значение элементов i-й интерполяционной кодовой последовательности;
    nNi количество элементов i-й интерполяционной кодовой последовательности, имеющих максимальное значение;
    nMi количество элементов i-й интерполяционной кодовой последовательности, имеющих минимальное значение,
    а упомянутые скорректированные значения длительностей начального и конечного интерполяционных импульсов определяют по следующим соотношениям:
    Figure 00000035

    Figure 00000036

    где
    Figure 00000037
    код, соответствующий длительности начального интерполяционного импульса;
    Figure 00000038
    код, соответствующий длительности конечного интерполяционного импульса.
RU93029170A 1993-05-26 1993-05-26 Способ измерения временных интервалов RU2099865C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93029170A RU2099865C1 (ru) 1993-05-26 1993-05-26 Способ измерения временных интервалов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93029170A RU2099865C1 (ru) 1993-05-26 1993-05-26 Способ измерения временных интервалов

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93029170A RU93029170A (ru) 1995-10-27
RU2099865C1 true RU2099865C1 (ru) 1997-12-20

Family

ID=20142575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93029170A RU2099865C1 (ru) 1993-05-26 1993-05-26 Способ измерения временных интервалов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2099865C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2546075C1 (ru) * 2014-05-13 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" Цифровой измерительный преобразователь интервала времени

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SU, авторское свидетельство, 1241185, кл. G 04 F 10/04, 1986. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2546075C1 (ru) * 2014-05-13 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" Цифровой измерительный преобразователь интервала времени

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5367200A (en) Method and apparatus for measuring the duty cycle of a digital signal
US4875201A (en) Electronic pulse time measurement apparatus
CN104460304B (zh) 一种具有自动校正功能的高分辨率时间间隔测量装置
US20050122846A1 (en) Time converter
RU2099865C1 (ru) Способ измерения временных интервалов
KR101223953B1 (ko) 표준 시각 동기용 주파수를 이용한 자체 온도 보상 기능을 갖는 고 분해능 정밀 시각 측정 장치 및 방법
KR20150105241A (ko) 발진기, 주파수 분주기 회로, 및 클록킹 펄스 억제 회로를 포함하는 타임 베이스
RU2617172C1 (ru) Прецизионный цифровой частотомер
RU2260830C1 (ru) Устройство для измерения интервала времени
RU2338212C1 (ru) Способ определения угла сдвига фаз между двумя сигналами, представленными цифровыми отсчетами
RU2231077C2 (ru) Устройство для измерения частоты электрических сигналов
Chmielewski Multi-vernier time-to-digital converter implemented in a field-programmable gate array
Gula et al. Measurements of periodic signals phase shifts with application of direct digital Synthesis
RU2561999C1 (ru) Интерполирующий преобразователь интервала времени в цифровой код
RU2679930C1 (ru) Прецизионный цифровой частотомер
RU2133053C1 (ru) Способ ускоренной нониусной интерполяции временных интервалов
CN108414841B (zh) 一种秒脉冲稳定度测量装置
RU2149436C1 (ru) Рециркуляционный измеритель длительности импульсов
SU838612A1 (ru) Устройство дл определени динамическихХАРАКТЕРиСТиК пРЕОбРАзОВАТЕлЕй
RU1795379C (ru) Способ определени разности фаз на высокой частоте
SU877448A1 (ru) Устройство дл определени градуировочной характеристики стробоскопического измерительного преобразовател
SU711535A1 (ru) Измеритель временных интервалов с автоматической стабилизацией порога и коэффициента преобразовани
KR100388886B1 (ko) 마이크로웨이브를이용한거리측정에있어서의웨이팅팩터결정방법
RU2638972C2 (ru) Способ измерения частоты
SU1499512A1 (ru) Устройство дл измерени фазовых флуктуаций