RU2241246C2

RU2241246C2 - Device for measuring time intervals of electric signals

Info

Publication number: RU2241246C2
Application number: RU2002100989/09A
Authority: RU
Inventors: С.Л. Макаренко (RU); С.Л. Макаренко; Н.Ф. Безматерных (RU); Н.Ф. Безматерных; С.М. Палкин (RU); С.М. Палкин
Original assignee: Открытое акционерное общество "МОРИОН"
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2004-11-27

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: part of the proposed device which measures time intervals from leading edge of interval to leading edge of first pulse of reference oscillator is realized on the base of storage-sample unit which operates as integrator. Output signal of storage-sample unit is converted to digital form by means of analog-digital converter and transmitted to arithmetic-logic unit upon receiving signal impulse to be measured.

EFFECT: real time-scale measurements.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерения временных интервалов и может использоваться в измерительной технике для измерения временных интервалов, периода, разности фаз и частоты электрических сигналов.The invention relates to the field of measuring time intervals and can be used in measuring equipment for measuring time intervals, period, phase difference and frequency of electrical signals.

Известно описание устройства, реализующего способ измерения временных интервалов электрических сигналов, заключающийся в подсчете количества периодов частоты эталонного генератора за измеряемый интервал времени и использующий пилообразный сигнал вспомогательного генератора с частотой, в (1+1/К) раз меньшей частоты эталонного генератора, содержащее эталонный генератор (ЭГ), вспомогательный генератор (ВГ), два формирователя пилообразного напряжения (ФПН 1) и (ФПН 2), две схемы формирования управляющих напряжений (УН 1) и (УН 2), два устройства выборки-хранения (УВХ), два компаратора (КОМП), первый счетчик (Сч 1), два детектора совпадений фронтов (ДС), арифметико-логическое устройство (АЛУ), второй счетчик (Сч 2), две схемы (И), два RS-триггера, две схемы (ИЛИ), причем выход ВГ соединен с входами УН 1 и УН 2, первый выход УН 1 подключен к входу ФПН 1 и первый выход УН 2 - к входу ФПН 2, второй выход УН 1 подключен к второму входу первой схемы И, второй выход УН 2 подключен к второму входу второй схемы И, первые входы схем И объединены и являются входом устройства, выход первой схемы И подключен к входу S первого RS-триггера, выход второй схемы И подключен к входу S второго RS-триггера, выход первого RS-триггера подключен к первому входу первого УВХ, выход которого подключен к первому входу первого КОМП, вторые входы первого УВХ и первого КОМП объединены и подключены к выходу ФПН 1, выход второго RS-триггера подключен к первому входу второго УВХ, выход которой подключен к первому входу второго КОМП, вторые входы второго УВХ и второго КОМП объединены и подключены к выходу ФПН 2, выход эталонного генератора ЭГ подключен к первым входам первого и второго ДС, а также к счетному входу Сч 1, вход обнуления которого подключен к входу устройства, а выход - к первому входу АЛУ, выход первого ДС подключен к R входу первого RS-триггера и к первому входу первой схемы ИЛИ, выход второго ДС подключен к R входу второго RS-триггера и к второму входу второй схемы ИЛИ, выход которой подключен к входу обнуления счетчика СЧ 2, выход первого КОМП подключен к второму входу первого ДС и к первому входу второй схемы ИЛИ, выход второго КОМП подключен к второму входу второго ДС и к второму входу второй схемы ИЛИ, выход которой подключен к счетному входу счетчика Сч 2, выход его подключен к второму входу АЛУ, выход которого является выходом устройства (Патент № 2162243 на изобретение “Способ измерения временных интервалов электрических сигналов”, МКИ G 04 F 10/04, Россия).A description is known of a device that implements a method for measuring the time intervals of electrical signals, which consists in counting the number of frequency periods of the reference generator for the measured time interval and using a sawtooth signal of the auxiliary generator with a frequency (1 + 1 / K) times lower than the frequency of the reference generator, containing the reference generator (EG), auxiliary generator (VG), two sawtooth voltage shapers (FPN 1) and (FPN 2), two control voltage generation circuits (UN 1) and (UN 2), two devices sampling-storage (UVX), two comparators (COMP), the first counter (MF 1), two edge coincidence detectors (DS), an arithmetic logic device (ALU), the second counter (MF 2), two circuits (I), two RS-flip-flop, two circuits (OR), with the VG output connected to the inputs of the UN 1 and UN 2, the first output of the UN 1 connected to the input of the FPI 1 and the first output of the UN 2 to the input of the FP 2, the second output of the UN 1 connected to the second input the first circuit And, the second output of the UN 2 is connected to the second input of the second circuit And, the first inputs of the circuits And are combined and are the input of the device, the output of the first circuit And is connected to the input S p of the first RS-flip-flop, the output of the second circuit AND is connected to the input S of the second RS-flip-flop, the output of the first RS-flip-flop is connected to the first input of the first UVC, the output of which is connected to the first input of the first COMP, the second inputs of the first UVC and the first COMP are combined and connected to the output of FPN 1, the output of the second RS-trigger is connected to the first input of the second UVC, the output of which is connected to the first input of the second COMP, the second inputs of the second UVC and the second COMP are combined and connected to the output of the FPG 2, the output of the reference EG generator is connected to the first inputs of the first and second about the DS, as well as to the counting input Sch 1, the zeroing input of which is connected to the input of the device, and the output to the first input of the ALU, the output of the first DS is connected to the R input of the first RS-trigger and to the first input of the first OR circuit, the output of the second DS is connected to the R input of the second RS-flip-flop and to the second input of the second OR circuit, the output of which is connected to the zero input of the MF 2 counter, the output of the first COMP is connected to the second input of the first DS and to the first input of the second OR circuit, the output of the second COMP is connected to the second input of the second DS and to the second input of the second circuit OR, output cat The input is connected to the counting input of the Sch 2 counter, its output is connected to the second input of the ALU, the output of which is the output of the device (Patent No. 2162243 for the invention “Method for measuring time intervals of electrical signals”, MKI G 04 F 10/04, Russia).

Данное устройство взято в качестве прототипа к заявляемому устройству.This device is taken as a prototype of the claimed device.

На фиг.1 и 2 иллюстрируется измерение временных интервалов с помощью устройства-прототипа, причем на фиг.1 приведена структурная схема устройства-прототипа, а на фиг.2 приведены временные диаграммы сигналов для него.Figure 1 and 2 illustrates the measurement of time intervals using the device of the prototype, and figure 1 shows the structural diagram of the device of the prototype, and figure 2 shows the timing diagrams of signals for it.

На фиг.3 приведена структурная схема предлагаемого устройства.Figure 3 shows the structural diagram of the proposed device.

На фиг.4 изображена временная диаграмма работы предлагаемого устройства.Figure 4 shows a timing diagram of the operation of the proposed device.

Измерение временных интервалов в соответствии с прототипом производится следующим образом: Измеряемый интервал подается на вход счетчика Сч 1 6, производящего подсчет количества периодов частоты эталонного генератора ЭГ 1 за измеряемый интервал. Интервалы времени между началом измеряемого события и фронтом первого после него импульса эталонного генератора ЭГ 1, на фиг.2 обозначенный как dt1, и между концом измеряемого события и первым после него фронтом эталонного генератора ЭГ 1, на фиг.2 обозначенный как dt2, измеряются с помощью вспомогательного генератора ВГ 2, схем 12, 13 формирования управляющих напряжений УН 1 и УН 2, формирователей 3, 14 пилообразного напряжения ФПН 1 и ФПН 2 и времяимпульсного преобразователя 10 ПВИ. ПВИ состоит из следующих узлов: устройств 4, 15 выборки и хранения УВХ, компараторов КОМП 5, 16, детекторов совпадений фронтов ДС 7, 17, счетчика Сч 2 9, RS-триггеров 11, 18, схем “И” 19, 20, схем “ИЛИ” 21, 22.The measurement of time intervals in accordance with the prototype is as follows: The measured interval is fed to the input of the MF 1 6 counter, which counts the number of frequency periods of the reference generator EG 1 for the measured interval. The time intervals between the beginning of the measured event and the front of the first pulse of the reference generator EG 1 after it, indicated in FIG. 2 as dt1, and between the end of the measured event and the first after it front of the reference generator EG 1, in FIG. 2 marked as dt2, are measured with using the auxiliary generator VG 2, circuits 12, 13 for the formation of control voltages UN 1 and UN 2, formers 3, 14 sawtooth voltage FPN 1 and FPN 2 and time-pulse converter 10 PVI. PVI consists of the following units: devices 4, 15 for sampling and storage of UVC, comparators KOM 5, 16, coincidence detectors of fronts DS 7, 17, counter Mid 2 9, RS-flip-flops 11, 18, circuits “I” 19, 20, circuits “OR” 21, 22.

Входной измеряемый сигнал Uвx, поступая на первые входы схем “И” 19 и 20, при наличии разрешающего потенциала управляющих сигналов U7 или U8 устанавливает в “1” соответствующий триггер 11 или 18, устанавливая на управляющих входах устройств 4 или 15 выборки и хранения УВХ высокий потенциал (сигналы U5, U9), включает режим хранения и соответствующее УВХ запоминает уровень напряжения пилообразного сигнала U3 или U6, приложенного к ее сигнальному входу в этот момент с выхода соответствующего формирователя 3 или 14 пилообразного напряжения ФПН 1 или ФПН 2, которые формируются из сигнала U2 стабильного генератора ВГ 2. Этот же пилообразный сигнал подается на один вход компаратора 5 (или 16) КОМП, на второй вход которого подается напряжение с выхода соответствующего УВХ 4 или 15. Поскольку уровень напряжения на выходе УВХ в режиме хранения соответствует напряжению на уровне пересечения сигнала пилообразного напряжения и фронта измеряемого события, то импульсы на выходе соответствующего компаратора будут по фазе привязаны к фронту измеряемого события и по частоте равны сигналу генератора ВГ 2. Так как период ВГ на 1/К больше периода эталонного генератора ЭГ 1, то через (N1)/К периодов произойдет совпадение фронтов сигналов с выхода компаратора 5 или 16 и ЭГ 1, и детектор 7 или 17 совпадения фронтов ДС формирует импульс сброса для RS-триггера 19 или 20. При этом величина (N1)/К, умноженная на период ЭГ, с точностью до 1/К будет равна измеряемому отрезку dt1. Аналогичные операции проводятся и по отношению к отрезку dt2. Теперь для определения с точностью до 1/К полной длины интервала t_изм в арифметическом устройстве 8 АЛУ к содержимому N0 счетчика 6 Сч 1 нужно прибавить величину, равную разности числа импульсов N1 и N2 для начала и конца измеряемого события, подсчитанные счетчиком 9 Сч 2, и деленную на К. Таким образом, для определения длительности интервала между фронтом измеряемого события и фронтом импульса эталонного генератора в наихудшем случае требуется время, равное К периодам эталонного генератора. Назовем это временем неготовности измерения. Если очередное измеряемое событие наступает раньше, то измерить его можно лишь другим аналогичным блоком, включенным параллельно первому и работающим с ним попеременно, причем количество таких параллельных блоков увеличивается пропорционально увеличению частоты измеряемых событий. В связи с этим устройство для измерения высокочастотной последовательности интервалов, построенное по схеме прототипа, недопустимо усложняется.The input measured signal Uвx, arriving at the first inputs of the “And” circuits 19 and 20, in the presence of the resolving potential of the control signals U7 or U8, sets the corresponding trigger 11 or 18 to “1”, setting the control inputs of devices 4 or 15 high and low potential (signals U5, U9), turns on the storage mode, and the corresponding I – V characteristic remembers the voltage level of the sawtooth signal U3 or U6 applied to its signal input at that moment from the output of the corresponding driver 3 or 14 of the sawtooth voltage of FPN 1 or FPN 2, which are formed from the signal U2 of the stable generator of the VG 2. The same sawtooth signal is fed to one input of the comparator 5 (or 16) COMP, the second input of which is supplied with the voltage from the output of the corresponding UVX 4 or 15. Since the voltage level at the output of the UVX in storage mode corresponds to voltage at the level of the intersection of the sawtooth voltage signal and the front of the measured event, then the pulses at the output of the corresponding comparator will be phase locked to the front of the measured event and equal in frequency to the signal of the VG 2 generator. So as the SH period is 1 / K longer than the period of the reference generator EG 1, then after (N1) / K periods the edges of the signals coincide from the output of the comparator 5 or 16 and the EG 1, and the detector 7 or 17 of the coincidence of the edges of the DS generates a reset pulse for RS- trigger 19 or 20. In this case, the value (N1) / K, multiplied by the period of the EG, with an accuracy of 1 / K will be equal to the measured segment dt1. Similar operations are carried out with respect to the segment dt2. Now, in order to determine the accuracy of the total interval length t _ISM in the ALU arithmetic device 8 with an accuracy of 1 / K, add to the content N0 of the counter 6 Sch 1 you need to add a value equal to the difference in the number of pulses N1 and N2 for the beginning and end of the measured event, counted by the counter 9 Sch 2, and divided by K. Thus, in the worst case, the time equal to the periods of the reference generator is required to determine the duration of the interval between the front of the measured event and the pulse front of the reference generator. We will call this the measurement unavailability time. If the next measured event occurs earlier, then it can be measured only by another similar block, connected in parallel with the first and working alternately with it, and the number of such parallel blocks increases in proportion to the increase in the frequency of the measured events. In this regard, the device for measuring the high-frequency sequence of intervals, built according to the prototype scheme, is unacceptably complicated.

В предлагаемом устройстве в отличие от прототипа длительность интервала определяется в реальном времени и результат измерения записывается фронтом следующего события.In the proposed device, unlike the prototype, the duration of the interval is determined in real time and the measurement result is recorded by the front of the next event.

Устройство состоит из эталонного генератора (ЭГ), счетчика (Сч), арифметико-логического устройства (АЛУ), первого и второго выделителей фронтов (ВФ), первого и второго RS-триггера, устройства выборки-хранения (УВХ), устройства формирования управляющего напряжения (УН), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), буферного запоминающего устройства (БУФ), причем выход ЭГ соединен с счетным входом Сч, и с входом первого ВФ. выходная шина Сч подключена к первой группе входов АЛУ, вход второго ВФ соединен с входом обнуления Сч и с входом устройства, выход второго ВФ подключен к входу установки первого RS-триггера, вход сброса которого подключен к выходу первого ВФ, а выход соединен с входом УВХ, управляющий вход которого соединен с выходом УН, вход которого соединен с выходом второго RS-триггера, вход установки которого подключен к выходу первого ВФ, а вход сброса - к выходу второго ВФ, выход УВХ подключен к входу АЦП, выходная шина АЦП соединена с входами БУФ, вход управления которого подключен к входу устройства, а выходы подключены к второй группе входов АЛУ, выход АЛУ является выходом устройства.The device consists of a reference generator (EG), a counter (MF), an arithmetic logic device (ALU), the first and second edge detectors (WF), the first and second RS flip-flops, a sampling-storage device (UVX), and a control voltage generating device (UN), an analog-to-digital converter (ADC), a buffer storage device (BUF), and the EG output is connected to the counting input MF, and to the input of the first WF. the output bus MF is connected to the first group of inputs of the ALU, the input of the second WF is connected to the input of zeroing the MF and to the input of the device, the output of the second WF is connected to the installation input of the first RS-flip-flop, the reset input of which is connected to the output of the first WF, and the output is connected to the input of the UVX whose control input is connected to the output of the ON, the input of which is connected to the output of the second RS-flip-flop, the input of which is connected to the output of the first WF, and the reset input is connected to the output of the second WF, the output of the I / O is connected to the ADC input, the ADC output bus is connected to the inputs BUF, entrance unitary enterprise which is connected to the input of the device, and the outputs are connected to the second group of inputs of the ALU, the output of the ALU is the output of the device.

Устройство работает следующим образом: Входной сигнал U1, подлежащий измерению, поступает на вход обнуления счетчика Сч, который ведет счет тактов сигнала U2 эталонного генератора ЭГ. Полученное число Ntэ, равное целому числу тактов ЭГ в измеряемом интервале, поступает в АЛУ.The device operates as follows: The input signal U1, which is to be measured, is fed to the input of zeroing the counter MF, which counts the clock cycles of the signal U2 of the reference EG generator. The resulting number Nt, equal to an integer number of EG cycles in the measured interval, enters the ALU.

В то же время импульс сигнала U3, соответствующий переднему фронту измеряемого интервала, устанавливает в единичное состояние выход триггера 1. Сброс триггера производится первым после него фронтом сигнала ЭГ (напряжение U4). Сигнал U5, приложенный к входу УВХ, заряжает накопительный конденсатор стабильным током в течение времени t1 или t2, затем УВХ под воздействием УН переходит в режим хранения и накопленное напряжение (сигнал U6) хранится в течение времени, необходимого для преобразования его в цифровой формат в АЦП. Следующим импульсом сигнала U1 происходит запись полученного кода (сигнал U7) в буферное запоминающее устройство БУФ и код (сигнал U8) поступает в АЛУ.At the same time, the pulse of the signal U3 corresponding to the leading edge of the measured interval sets the output of trigger 1 to a single state. The trigger is reset by the first edge of the EG signal after it (voltage U4). The signal U5, applied to the input of the I – V circuit, charges the storage capacitor with a stable current for a time t1 or t2, then the I – V circuit under the influence of a V enters storage mode and the accumulated voltage (signal U6) is stored for the time required to convert it into a digital format in ADC . The next pulse of the signal U1 records the received code (signal U7) in the buffer memory of the BUF and the code (signal U8) enters the ALU.

Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом произведены следующие изменения: 1. Схемотехнические изменения, выразившиеся в исключении вспомогательного генератора, двух формирователей пилообразного напряжения, одного формирователя управляющего напряжения, двух схем “И”, одного устройства выборки-хранения, двух компараторов, двух детекторов совпадения фронтов, двух схем “ИЛИ”, второго счетчика; в введении двух схем выделения фронтов, аналого-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройства; в изменении связей между узлами. 2. Следствием схемотехнических изменений явились функциональные изменения, выразившиеся в ускорении времени обработки входного сигнала и позволившие производить измерения временных интервалов в реальном времени.Thus, in the proposed device, in comparison with the prototype, the following changes were made: 1. Circuit engineering changes expressed in the exclusion of the auxiliary generator, two sawtooth voltage shapers, one control voltage shaper, two “I” circuits, one sampling and storage device, two comparators, two edge coincidence detectors, two “OR” circuits, a second counter; in the introduction of two fronts allocation schemes, an analog-to-digital converter and a buffer memory; in changing the connections between nodes. 2. The result of circuit changes was functional changes, expressed in acceleration of the processing time of the input signal and allowing measurements of time intervals in real time.

Claims

A device for measuring the time intervals of electrical signals, containing a reference generator, counter, arithmetic logic device, a device for sampling and storage, a driver of control voltages, two RS-flip-flops, characterized in that two front-end detection circuits, an analog-to-digital converter and a buffer storage device, the output of the reference generator being connected to the counter input of the counter, and to the input of the first edge selection circuit, the output bus of the counter is connected to the first group of inputs ar a logic-and-logic device, the input of the second edge selection circuit is connected to the counter zeroing input and is the input of the device, the output of the second edge selection circuit is connected to the installation input of the first RS-trigger, the reset input of which is connected to the output of the first edge selection circuit, and the output is connected to the input sampling and storage device, the control input of which is connected to the output of the driver of the control voltage, the input of which is connected to the output of the second RS-trigger, the installation input of which is connected to the output of the first circuit the edges are selected, and the reset input is connected to the output of the second edge allocation circuit, the output of the sampling and storage device is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output bus of the analog-to-digital converter is connected to the inputs of the buffer storage device, the control input of which is connected to the input of the device, and the outputs are connected to the second group of inputs of the arithmetic logic device, the output of which is the output of the device.