RU2138829C1

RU2138829C1 - Frequency monitoring device

Info

Publication number: RU2138829C1
Application number: RU98117493A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Алексеенков; Б.Р. Иванов; И.С. Захаров; И.С. Некрасов
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 1999-09-27

Abstract

FIELD: measuring technology prestart monitoring of frequency. SUBSTANCE: device includes pulse shaper 1, counter 2, flip-flops 3, 4, 5, univibrators employing Shmitt flip-flops 6 and 7 and 2 NAND gate 8. EFFECT: enhanced accuracy of monitoring signals due to comparison of duration of pulses of univibrators with total duration of several periods of input signal whose number is determined by means of counter. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для допускового контроля частоты. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used for tolerance frequency control.

Известно устройство для контроля частоты, содержащее формирователи импульсов, реверсивный счетчик, дешифратор и логические элементы [1]. A device for controlling the frequency containing pulse shapers, a reversible counter, a decoder and logic elements [1].

В данном устройстве контроль частоты выполняется посредством цифрового измерения и сравнения длительностей соседних периодов входного сигнала с последующим выделением знака их разности. Недостатком устройства является узкий частотный диапазон, так как для точного цифрового измерения каждого периода входного сигнала необходимо устанавливать частоту тактовых (счетных) импульсов, подаваемых на реверсивный счетчик, в сотни - тысячи раз выше частоты входного сигнала. Вследствие этого даже при использовании быстродействующих логических элементов с частотой переключения порядка 100 МГц максимальная частота входного сигнала ограничивается на уровне сотен килогерц и значительно уменьшается при возрастании требований к точности контроля сигналов с малым отклонением частоты. In this device, frequency control is performed by digitally measuring and comparing the durations of adjacent periods of the input signal, followed by highlighting the sign of their difference. The disadvantage of this device is the narrow frequency range, since for accurate digital measurement of each period of the input signal, it is necessary to set the frequency of the clock (counting) pulses supplied to the reverse counter, hundreds to thousands of times higher than the frequency of the input signal. As a result of this, even when using high-speed logic elements with a switching frequency of about 100 MHz, the maximum input signal frequency is limited to hundreds of kilohertz and decreases significantly with increasing accuracy control requirements for signals with a small frequency deviation.

Например, если частота сигнала изменяется в диапазоне от 99,9 кГц до 100,1 кГц, то максимальная разность периодов сигнала с максимальной и минимальной частотой составляет 20 нс. Для цифрового измерения длительностей периодов и выделения их разности требуется подавать на вход реверсивного счетчика тактовую частоту более 100 МГц, так как погрешность дискретности при цифровом измерении каждого периода составляет около 10 нс. For example, if the signal frequency varies in the range from 99.9 kHz to 100.1 kHz, then the maximum difference in signal periods with the maximum and minimum frequencies is 20 ns. To digitally measure the duration of periods and highlight their difference, it is necessary to apply a clock frequency of more than 100 MHz to the input of the reversible counter, since the discrete error in digital measurement of each period is about 10 ns.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для контроля частоты, содержащее одновибраторы, триггеры, времязадающие RC-цепи и логические элементы [2]. Closest to the technical nature of the present invention is a device for controlling frequency, containing single-shots, triggers, timing RC circuits and logic elements [2].

Однако это устройство не позволяет реализовать точный контроль частоты сигналов в высокочастотной области из-за ограниченного быстродействия логических элементов и нестабильности их динамических параметров. Например, изменение частоты входного сигнала от 1,000 МГц до 1,001 МГц, т.е. девиация частоты на 1 кГц, приводит к изменению длительности одного периода лишь на 1 нс, в то время как запаздывание быстродействующих цифровых микросхем (серий КР1554 или КР1533) составляет 3...15 нс и изменяется в температурном диапазоне на единицы наносекунд. Вследствие этого процесс контроля частоты сигналов, реализуемый в известном устройстве путем сравнения их периодов с образцовыми интервалами времени, задаваемыми схемами одновибраторов, в высокочастотной области (до единиц-десятков мегагерц) становится практически невозможным. However, this device does not allow for precise control of the frequency of signals in the high-frequency region due to the limited speed of the logic elements and the instability of their dynamic parameters. For example, changing the frequency of the input signal from 1,000 MHz to 1,001 MHz, i.e. frequency deviation by 1 kHz leads to a change in the duration of one period by only 1 ns, while the delay of high-speed digital microcircuits (KP1554 or KP1533 series) is 3 ... 15 ns and varies in the temperature range by a few nanoseconds. As a result, the process of controlling the frequency of signals, implemented in a known device by comparing their periods with exemplary time intervals specified by single-oscillator circuits, in the high-frequency region (up to several tens of megahertz) becomes almost impossible.

Технической задачей изобретения является расширение частотного диапазона и повышение точности сравнения высокочастотных сигналов. An object of the invention is to expand the frequency range and increase the accuracy of comparison of high-frequency signals.

Для этого в устройство для контроля частоты, содержащее первый и второй триггеры, выходы которых являются первым и вторым выходами устройства и подключены к входам логического элемента 2И-НЕ, выход которого является третьим выходом устройства, третий триггер и два последовательно соединенных одновибратора на основе времязадающих RC-цепей, резисторы которых зашунтированы диодами, а выходы одновибраторов подключены соответственно к D-входам первого и второго триггеров, дополнительно введены формирователь импульсов и счетчик. Вход устройства через формирователь импульсов подключен к C-входу третьего триггера и счетному входу счетчика, выход которого соединен с D-входом третьего триггера, а к выходу третьего триггера подключены объединенные C-входы первого и второго триггеров, вход сброса счетчика и вход первого одновибратора, причем в схеме каждого одновибратора применен триггер Шмитта с времязадающим резистором на входе и времязадающим конденсатором в цепи обратной связи. To do this, in a frequency control device containing the first and second triggers, the outputs of which are the first and second outputs of the device and connected to the inputs of the 2I-NOT logic element, the output of which is the third output of the device, a third trigger and two serially connected single-vibrators based on timing RC -chains, the resistors of which are shunted by diodes, and the outputs of one-shots are connected respectively to the D-inputs of the first and second triggers, an additional pulse shaper and counter are introduced. The input of the device through the pulse shaper is connected to the C-input of the third trigger and the counting input of the counter, the output of which is connected to the D-input of the third trigger, and the combined C-inputs of the first and second triggers, the counter reset input and the input of the first one-shot are connected to the output of the third trigger, moreover, in the circuit of each one-shot Schmitt trigger is used with a timing resistor at the input and a timing capacitor in the feedback circuit.

Положительный эффект достигается за счет того, что в отличие от прототипа в предложенном устройстве с помощью формирователя импульсов и счетчика выделяется интервал времени, равный сумме нескольких периодов входного сигнала, который сравнивается по длительности с образцовыми импульсами одновибраторов. При этом значительно ослабляются требования к быстродействию применяемых логических элементов, задержка которых мало влияет на точность контроля частоты, а максимальная частота входного сигнала ограничена только предельной частотой переключения цифровых логических микросхем. Кроме того, включением времяэадающего конденсатора в цепь положительной обратной связи триггера Шмитта обеспечивается повышение точности формирования длительности образцовых импульсов и соответствующее увеличение точности контроля высокочастотных сигналов, особенно при девиации частоты. A positive effect is achieved due to the fact that, in contrast to the prototype, a time interval equal to the sum of several periods of the input signal, which is compared in duration with standard pulses of single vibrators, is allocated in the proposed device using a pulse shaper and a counter. At the same time, the performance requirements of the applied logic elements are significantly weakened, the delay of which has little effect on the accuracy of frequency control, and the maximum frequency of the input signal is limited only by the limiting switching frequency of digital logic circuits. In addition, the inclusion of a time-consuming capacitor in the positive feedback circuit of a Schmitt trigger provides an increase in the accuracy of formation of the duration of model pulses and a corresponding increase in the accuracy of control of high-frequency signals, especially with frequency deviation.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 показаны временные диаграммы его работы. In FIG. 1 shows a functional diagram of the device, and in FIG. 2 shows the timing diagrams of its operation.

Устройство содержит формирователь импульсов 1, счетчик 2, триггеры 3, 4, 5, одновибраторы на триггерах Шмитта 6, 7 и логический элемент 2И-НЕ 8. The device comprises a pulse former 1, counter 2, triggers 3, 4, 5, single vibrators on Schmitt triggers 6, 7, and a logic element 2I-NOT 8.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Входной сигнал контролируемой частоты f_x поступает на формирователь импульсов 1, выполняющий функцию триггера Шмитта, и преобразуется в последовательность импульсов, скважность которых примерно равна двум. Счетчик 2 применен для деления частоты в N раз, поэтому на его выходе сигнал логической единицы появляется через N периодов входного сигнала после предварительной установки (возврата в исходное состояние) в конце каждого такта контроля. При появлении (N+1)-го импульса на выходе формирователя 1 срабатывает триггер 3, выходным сигналом которого производится предустановка (запись предварительной информации или установка нуля) счетчика 2. Одновременно выходным сигналом триггера 3 производится быстрый заряд до исходного состояния времязадающего конденсатора одновибратора 6 через открывающийся диод, шунтирующий времязадающий резистор, и стробируются триггеры 4 и 5. При этом выходным сигналом одновибратора 6 выполняется заряд до исходного состояния конденсатора второго одновибратора 7 через его времязадающий резистор и шунтирующий диод. При поступлении следующего импульса от формирователя 1 триггер 3 устанавливается в исходное состояние, и процесс повторяется.The input signal of a controlled frequency f _{x is} supplied to pulse shaper 1, which performs the function of a Schmitt trigger, and is converted into a sequence of pulses, the duty cycle of which is approximately equal to two. Counter 2 is used to divide the frequency by N times, therefore, at its output, the signal of the logical unit appears after N periods of the input signal after presetting (returning to the initial state) at the end of each control cycle. When the (N + 1) -th pulse appears at the output of the former 1, trigger 3 is triggered, the output signal of which presets (records preliminary information or sets zero) the counter 2. Simultaneously, the output signal of trigger 3 carries out a quick charge to the initial state of the timing capacitor of the one-shot 6 through the opening diode, shunting the time-setting resistor, and the triggers 4 and 5 are gated. In this case, the output of the one-shot 6 carries out the charge to the initial state of the second-stage capacitor Rathore 7 via its time-setting resistor and a shunt diode. Upon receipt of the next pulse from the shaper 1, trigger 3 is set to its original state, and the process repeats.

Постоянную времени заряда конденсатора RC-цепи в одновибраторе на триггере Шмитта 6 устанавливают посредством регулировки времязадающего резистора таким образом, чтобы обеспечить срабатывание данного одновибратора на время ΔT раньше момента срабатывания счетчика 2 при номинальной частоте f_вх=f_н входного сигнала: T₆= N/f_н-ΔT. Постоянную времени RC-цепи второго одновибратора на триггере Шмитта 7 устанавливают равной T₇= 2ΔT и тем самым обеспечивают срабатывание этого одновибратора с задержкой на время 2ΔT относительно первого одновибратора 6. Вследствие этого триггеры 4, 5 в моменты их стробирования выходными импульсами триггера 3 устанавливаются в единичное логическое состояние при номинальной частоте входного сигнала (f_вх=f_н), и на выходе логического элемента 2И-НЕ 8 формируется нулевой уровень, указывающий на номинальное значение частоты. При повышении частоты входного сигнала (f_вх>f_н) нулевой логический уровень формируется на выходе триггера 4, а при уменьшении частоты (f_вх<f_н) нулевой логический сигнал появляется на выходе триггера 5 (фиг. 2).The charge time constant of the RC circuit capacitor in a single vibrator on a Schmitt trigger 6 is set by adjusting the time-setting resistor in such a way as to ensure that this single vibrator is triggered for a time ΔT earlier than the moment counter 2 is triggered at the nominal frequency f _I = f _{n of the} input signal: T ₆ = N / f _n -ΔT. The time constant of the RC circuit of the second one-shot on the Schmitt trigger 7 is set equal to T ₇ = 2ΔT and thereby ensure the operation of this one-shot with a delay of 2ΔT relative to the first one-shot 6. As a result, the triggers 4, 5 at the moments of their gating by the output pulses of the trigger 3 are set to a single logical state at the nominal frequency of the input signal (f _I = f _n ), and at the output of the logic element 2I-NOT 8 a zero level is formed, indicating the nominal value of the frequency. With an increase in the frequency of the input signal (f _in > f _n ), a zero logic level is generated at the output of trigger 4, and with a decrease in frequency (f _in <f _n ), a zero logic signal appears at the output of trigger 5 (Fig. 2).

Включением времязадающих емкостей в цепи положительной обратной связи триггеров Шмитта достигается их быстрый разряд в моменты срабатывания одновибраторов сигналов обратной связи и последующий быстрый заряд этих емкостей через шунтирующие диоды при срабатывании триггера 3. The inclusion of timing tanks in the positive feedback circuit of Schmitt triggers achieves their fast discharge at the moments of operation of the one-shot feedback signals and the subsequent fast charge of these tanks through shunt diodes when trigger 3 is triggered.

Повышение точности формирования длительности образцовых импульсов при построении одновибраторов на триггерах Шмитта достигается, во-первых, за счет более стабильного уровня срабатывания триггеров Шмитта по сравнению с другими логическими элементами и, во-вторых, за счет снижения влияния флуктуаций питающего напряжения и ускорения процесса восстановления одновибраторов после срабатывания при охвате триггеров Шмитта цепями положительной обратной связи через времязадающие конденсаторы. Improving the accuracy of the formation of the duration of model pulses during the construction of single vibrators on Schmitt triggers is achieved, firstly, due to a more stable level of operation of Schmitt triggers compared to other logical elements and, secondly, by reducing the influence of fluctuations in the supply voltage and accelerating the recovery process of single vibrators after triggering when the Schmitt triggers are covered by positive feedback circuits through time-varying capacitors.

Расчет параметров устройства выполняют исходя из требуемой точности сравнения частот и динамических параметров микросхем. В частности, при допустимой погрешности контроля частоты Δf = f_вх-f_н и задержке срабатывания микросхем T_зд на ΔT коэффициент деления счетчика определяется формулой N = ΔTf_н2/Δf. Например, при номинальной частоте входного сигнала f_н = 1 МГц и допустимой погрешности контроля Δf = 100 Гц разность периодов сравниваемых частот не превышает 0,1 нс. При реализации устройства контроля частоты на микросхемах серии КР1533 среднее время задержки срабатывания составляет Т_зд = 10 нс, то есть сравнение таких частот в прототипе становится невозможным. В предложенном устройстве за счет применения дополнительно введенного счетчика с коэффициентом деления N = 100 разность длительностей 100 периодов входного сигнала с частотой 1 МГц и частотой 1,0001 МГц составляет не менее 10 нс, что позволяет реализовать контроль данной частоты. Двукратное повышение точности контроля при указанных значениях частоты можно обеспечить выполнением условия ΔT = 2T_зд, устанавливая коэффициент деления счетчика равным N = 200 и задавая время срабатывания первого Т₆ и второго Т₇ одовибраторов по соотношениям: T₆= N/f_н-ΔT = 199,8 мкс; T₇= 2ΔT = 0,2 мкс.Calculation of device parameters is performed based on the required accuracy of comparing frequencies and dynamic parameters of microcircuits. In particular, with an admissible error of frequency control Δf = f _in -f _n and a delay in the operation of microcircuits T _rear by ΔT, the counter division coefficient is determined by the formula N = ΔTf _n 2 / Δf. For example, at the nominal frequency of the input signal f _n = 1 MHz and the permissible control error Δf = 100 Hz, the difference in the periods of the compared frequencies does not exceed 0.1 ns. When implementing a frequency control device on the KR1533 series microcircuits, the average response delay time is _Tdn = 10 ns, that is, comparison of such frequencies in the prototype becomes impossible. In the proposed device, due to the use of an additionally introduced counter with a division coefficient N = 100, the difference in the durations of 100 periods of the input signal with a frequency of 1 MHz and a frequency of 1.0001 MHz is at least 10 ns, which makes it possible to control this frequency. A twofold increase in the control accuracy at the indicated frequency values can be achieved by fulfilling the condition ΔT = 2T _rear , setting the counter division factor to N = 200 and setting the response time of the first T ₆ and second T ₇ odo-vibrators according to the relations: T ₆ = N / f _n -ΔT = 199.8 μs; T ₇ = 2ΔT = 0.2 μs.

В этом случае длительность одного цикла контроля составляет 201 мкс с учетом такта срабатывания триггера 3 и возврата устройства в исходное состояние за один период входного сигнала. In this case, the duration of one control cycle is 201 μs, taking into account the trigger cycle of trigger 3 and the device returning to its initial state for one period of the input signal.

Предложенное устройство можно реалиэовать на микросхемах серий К1561, КР1554 и КР1533: формирователь импульсов и одновибраторы - на триггере Шмитта типа К1561ТЛ1 или КР1533ТЛ2, счетчик - на микросхемах К1561ИЕ11 или КР155ИЕ23, триггеры - на микросхемах К1554ТМ2 или КР1533ТМ2, КР1554ТМ2. Во времязадающих цепях одновибраторов можно применить резисторы типа СП5-2, конденсаторы К73-11 и диоды типа КД522В. The proposed device can be implemented on chips of the K1561, KR1554 and KR1533 series: the pulse shaper and single vibrators on the Schmitt trigger of the K1561TL1 or KR1533TL2 type, the counter on the K1561IE11 or KR155IE23 microcircuits, the triggers on the KMP15152152T152 chip, K1554T152 chip. During timing circuits of single vibrators, resistors of the SP5-2 type, capacitors K73-11 and diodes of the KD522V type can be used.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает высокую точность контроля сигналов в широком диапазоне рабочих частот, в том числе при сравнения высокочастотных сигналов с малой девиацией частоты. Thus, the proposed device provides high accuracy control signals in a wide range of operating frequencies, including when comparing high-frequency signals with low frequency deviation.

Источники информации
1. Лебедев О. В. Устройство для контроля частоты. Патент РФ N 2007732, МКИ G 01 R 23/15, 15.02.94 г. Бюл. N 3.Sources of information
1. Lebedev O. V. Device for frequency control. RF patent N 2007732, MKI G 01 R 23/15, 02/15/94, Bull. N 3.

2. Лебедев О. В. Устройство для контроля частоты. Патент РФ N 2007731, МКИ G 01 R 23/00, 15.02.94, Бюл. N 3. 2. Lebedev O. V. Device for frequency control. RF patent N 2007731, MKI G 01 R 23/00, 02/15/94, Bull. N 3.

Claims

A frequency control device comprising first and second triggers, the outputs of which are the first and second outputs of the device and connected to the inputs of a 2I-NOT logic element, the output of which is the third output of the device, a third trigger and two serially connected single-vibrators containing timing RC circuits, the resistors of which are shunted by diodes, and the outputs of the single vibrators are connected respectively to the D-inputs of the first and second triggers, characterized in that a pulse shaper and a counter are introduced into it, than the input of the device through the pulse shaper is connected to the C-input of the third trigger and the counter input of the counter, the output of which is connected to the D-input of the third trigger, the output of which is connected to the C-inputs of the first and second triggers, the counter preset input and the input of the first one-shot, and in each single vibrator is equipped with a Schmitt trigger with a timing resistor at the input and a timing capacitor in the feedback circuit.