SU1582176A1

SU1582176A1 - Цифровой измеритель длительности периода

Info

Publication number: SU1582176A1
Application number: SU884441820A
Authority: SU
Inventors: Владимир Александрович Карелин
Original assignee: Предприятие П/Я В-2203
Priority date: 1988-06-15
Filing date: 1988-06-15
Publication date: 1990-07-30

Abstract

Изобретение относитс к импульсной технике. Целью изобретени вл етс повышение точности измерени за счет уменьшени динамической погрешности. Цель достигаетс за счет введени Т-триггера 4, первого, второго оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) 10, 11, первого преобразовател 12 кода, первого накапливающего сумматора 14, второго счетчика 15 импульсов измер емой частоты, третьего, четвертого ОЗУ 16, 17, второго преобразовател 18 кода, второго сумматора 19, второго накапливающего сумматора 20. Кроме того, измеритель содержит формирователь 1 импульсов измер емой частоты, генератор 2 опорной частоты, формирователь 3 квантующих импульсов, вентили 5, 6, счетчик 7 квантующих импульсов, регистр 8, счетчик 9 импульсов измер емой частоты, цифровое отсчетное устройство 21. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относитс к импупьсной технике и может быть использовано при создании высокоточных цифровых частотомеров.

Цель изобретени - повышение точности измерени за счет уменьшени динамической погрешности.

На фиг. 1 приведена структурна схема цифрового измерител длительности периода; на фиг. 2 - временные диаграммы измерител длительности периода.

Цифровой измеритель длительности периода содержит формирователь 1 импульсов измер емой частоты, генератор 2 опорной частоты, формирователь 3 квантующих импульсов, Т-триггер 4, первый 5 и второй 6 вентили, счетчик 7 квантующих импульсов, регистр 8, первый счетчик 9 импульсов измер емой частоты, первое 10 и второе 11 оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), первый преобразователь 12 кода , первый сумматор 13, первый накапливающий4 сумматор 14, второй счетчик 15 импульсов измер емой частоты;, третье 16 и четвертое 17 ОЗУ, второй преобразователь 18 кода, второй сумматор 19 , второй накапливающий сумма тор 20 и цифровое отсчетное уст роист во (ЦОУ) 21.

Входна шина измерител соединена с входом формировател 1, выхор которого св зан с первым входом первого вентил 5 и Т-входом Т-триггера 45 , инверсный выход которого подключен к вторым входам вентилей 5 и 6. Выход первого вентил 5 соединен с входами синхронизации записи счетчика 7, регистра 8, накапливающих сумматоров 14 и 20 и счетными входами счетчиков 9 и 15. Выход генератора 2 опорной частоты через формирователь 3 квантующих импульсов соединен со входом синхронизации формировател 1 и первым вхо дом вентил 6, выход которого св зан со счетным входом счетчика 7. кодовый выход которого соединен с кодовым входом регистра 8, выход которого подсоединен к второму входу сумматора 13 и информационным входам ОЗУ 10 и 11, адресные входы которых соединены с кодовым выходом первого счетчика 9, информационные выходы старшего разр да которого соединены соответственно с управл ющими входами ОЗУ 10 и 11, информационные выходы которых через преобразователь 12 ко

-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

да св заны с первым входом сумматора 13, выход которого подсоединен к накапливающему сумматору 14, выходы которого соединены с вторым входом сумматора 19 и информационными входами ОЗУ 16 и 17, адресные входы которых св заны с кодовым выходом счетчика 15, информационные выходы старшего разр да которого соединены соответственно с управл ющими входами ОЗУ 16 и 17, информационные выходы которых через преобразователь 18 кода подсоединены к первому входу сумматора 19, выход которого через накапливающий сумматор 20 соединен с входом ЦОУ 21 , шина Пуск соединена с S-входом Т- триггера 4.

Формирователь 1 импульсов измер емой частоты содержит усилитель-ограничитель 22, трехвходовый элемент И-НЕ 23, двухвходовый элемент И-НЕ

24,RS-триггеры 25 -и 26 и инвертор 27.

Вход Формировател соединен с входом усилител -ограничител 22, выход которого подсоединен к первому входу элемента И-НЕ 23 и к R-входу триггера 26, инверсный выход которого св зан с вторым входом элемента И-НЕ 23, выход которого соединен с первым входом элемента И-НЕ 24 и R-входом триггера

25,пр мой выход которого подсоединен к S-входу триггера 26 и через инвертор 27 к выходу формировател , вход синхронизации которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ 24 и S- входом триггера 25.

I

Устройство работает следующим образом ,

В исходном состо нии перед началом измерений регистр 8, ОЗУ 10, 11,16 и 17, а также элементы пам ти накапливающих сумматоров 14 и 20 устанавливаютс в нулевое состо ние. Счетчик 7 квантующих импульсов устанавливаетс в состо ние 1. На вход S установки Т-триггера 4 поступает сигнал нулевого уровн с входа Пуск устройства (фиг. 2г). Этот сигнал удерживает Т-триггер 4 в единичном состо нии , при котором на управл ющие входы первого вентил 5 и второго вентил 6 поступают потенциалы, запрещающие проход сигналов через эти вентили, Входной сигнал, период которого необходимо измерить, поступает с входа формировател 1 импульсов изч

515

мер емой частоты на вход усилител - ограничител 22, фронты импульсов на выходе которого соответствуют моментам перехода смеси сигнала и шума че- реэ фиксированный, например, нулевой уровень. С выхода усилител -ограничител 22 импульсы сигнала измер емой частоты поступают на первый вход трехвходового элемента И-НЕ 23, кото- рый совместно с двухвходовым элементов И-НЕ 24 образует RS-триггер, служащий дл задержки формировани сигнала низкого (нулевого) уровн на входе сброса R первого RS-триггера 25 (фиг. 2д) при совпадении во времени фронта импульса сигнала измер емой частоты и квантующего импульса, действующего на входе синхронизации формировател 1 импульсов измер емой частоты (фиг. 2,в). Така задержка позвол ет исключить помехи типа сост зани . Таким образом, первый квантующий импульс, поступивший на вход установки первого RS-триггера 25 после фронта импульса измер емой частоты с положительной производной, формирует на пр мом выходе первого RS-триггера 25 импульс нулевого уровн (фиг. 2з). Этот импульс через ин- вертор 27 поступает на выход формировател 1 импульсов измер емой частоты , воздейству на вход установки S второго RS-триггера 26, формирует на инверсном выходе последнего сигнал нулевого уровн (фиг. 2ж), который блокирует трехвходовый элемент И-НЕ 23. Последний формирует на своем выходе сигнал единичного уровн (фиг.2 д), преп тству формированию импуль- сов на пр мом выходе первого RS-триггера 25 (фиг. 2з). Сброс второго RS- триггера 26 осуществл етс после ближайшего импульса измер емой частоты с отрицательной производной. При этом сигнал единичного уровн (фиг. 2ж) с инверсного выхода второго RS-триггера 26 поступает на второй вход трехвходового элемента И-НЕ 23, подготавлива его к приходу очередного фронта импульса измер емой частоты с положительной производной (фиг. 26). Таким образом, на выход формировател 1 импульсов измер емой частоты проход т квантующие импульсы (фиг. 2и), при- шедшие во времени непосредственно за фронтами импульсов измер емой частоты с положительной производной. Интервал времени между соседними, прив занными

Q 5 0 5 0 « 0

5

766

таким образом, квантующими импульсами равен измеренному значению соответствующего периода исследуемого сигнала Тизм с учетом погрешности от квантовани и шумовой погрешности (фиг. 2и). Импульсы с выходаформировател 1 импульсов измер емой частоты поступают на сигнальный вход первого вентил 5 и на счетный вход Т-триггера 4, но не измен ют исходного состо ни устройства , так как первый вентиль 5 блокирован по управл ющему входу сигналом с инверсного выхода Т-триггера 4, который удерживаетс в нулевом состо нии сигналом нулевого уровн , приложенным к его входу сброса с собственного пр мого выхода. Счетчики 9 и 15 импульсов измер емой частоты, имеющие коэффициенты пересчета соответственно 2(п,+ 1) и 2(п2+ 1),где п.| и п г - целые числа, удовлетвор ющие условию n f+ п г п, могут находитьс в произвольном состо нии. Дл определенности положим, что перед началом измерени они установлены в нулевое состо ние. При этом первое ОЗУ 10 сигналом на входе управлени установлено в режим записи в нулевую чейку, а второе ОЗУ 11 - в режим чтени из нулевой чейки. Соответственно третье ОЗУ 16 установлено в режим записи, а четвертое ОЗУ 17 - в режим чтени . Код нул с выхода второго ОЗУ 11 (так как все ОЗУ в исходном состо нии обнулены) поступает на вход первого преобразовател 12 кода, который на своем выходе формирует дополнительный код входного сигнала. Этот код вычитаетс из кода, поступающего с выхода регистра 8, с помощью первого сумматора 13 (так как суммирование с дополнительным кодом эквивалентно операции вычитани ). С выхода первого сумматора 13 код нул (так как вычитание из нул нул дает нуль) поступает на информационный вход первого накапливающего сумматора 14. Аналогичным образом второй сумматор 19 совместно с вторым преобразователем 18 .кода осуществл ет вычитание кода нул с выхода четвертого ОЗУ 17 из кода (также нулевого) на выходе первого накапливающего сумматора 14.

Измерительный процесс начинаетс после подачи сигнала Пуск единичного уровн на вход установки Т-тригге ра 4 (фиг. 2г). Первый пришедший посч

ле этого сигнала импульс измер емой частоты с выхода формировател 1 им- пупьсов измер емой частоты (фиг. 2и) поступает на счетный вход Т-триггера 4 и своим спадом переводит последний в нулевое состо ние. При этом на пр мом выходе Т-триггера 4 формируетс сигнал нулевого уровн , который, поступа на вход R сброса Т-триггера 4S удерживает его в нулевом состо нии. На инверсном выходе Т-триггера 4 формируетс сигнал единичного уровн (фиг. 2к), разрешающий проход сигналов через первый вентиль 5 и второй вентиль 6. При этом квантующие импульсы через второй вентиль 6 поступают на счетный вход счетчика 7 квантующих импульсов. К моменту прихода второго от начала измерени импзшьса измер емой частоты в счетчике 7 квантующих импульсов фиксируетс число импульсов К, , выработанных за интервал времени, равный первому с момента начала измерени периоду исследуемого сигнала (учитыва , что счетчик 7 квантующих импульсов начинает счет из состо ни 1). Второй импульс измер емой частоты через открытый первый вентиль 5 (фиг. 2л) поступает на вход синхронизации регистра 8 и переписывает в него код Kf, воздейству на вход синхронизации записи счетчика 7 квантующих импульсов, устанавливает его в состо ние 1 и подготавливает к квантованию второй период измер емого сигнала. Код К с выхода регистра 8 записываетс в первую чейку первого ОЗУ 10 и поступает на второй вход первого сумматора 13. Одновременно второй импульс изме- р емой частоты поступает на вход синхронизации накапливающих сумматоров 14 и 20 и по своему переднему фронту фиксирует в них нулевые коды с выходов сумматоров 13 и 19. Второй им- пульс измер емой частоты приходит на счетные входы первого счетчика 9 импульсов измер емой частоты, и своим спадом (задним фронтом) увеличивает его состо ние на единицу. При этом подключаютс вторые чейки ОЗУ 10,

11, 16 и 17. В интервале времени межд вторым и третьим импульсами измер емой частоты счетчик 7 квантующих импульсов осуществл ет квантование второго периода измер емого сигнала, а на выходе первого сумматора 13 формируетс код разности кода К, с выхода

5

0

5 0 0

0

регистра 8 и кода с выхода второй чейки второго ОЗУ 11, в котором в данном случае записан .Следовательно , на выходе первого накапливающего сумматора 14 формируетс кодt К - 0 К. Третий импульс измер емой частоты фиксирует код К результата квантовани второго периода измер емой частоты в регистре 8 и код К1 с выхода первого сумматора 13 - в первом накапливающем сумматоре 14. При этом коды К .j с выхода первого накапливающего сумматора 14 и Кг с выхода регистра 8 занос тс во вторые чейки соответственно ОЗУ 16 и 10, адресуемых счетчиками 9 и 15 импульсов измер емой частоты, которые после окончани третьего импульса измер емой частоты устанавливаютс в состо ние , при котором на кодовом выхо- це формируетс код К2, и подключают третьи чейки ОЗУ 10-, 11, 16 и 17. При этом на выходе сумматоров 13 и 19 формируютс соответственно коды А и А :

А К г - 0 К 2; А К , - 0 К ,.

Четвертый импульс измер емой частоты фиксирует код К5 результата квантовани третьего периода измер емого сигнала в регистре 8 и, поступа на вход синхронизации первого накапливающего сумматора 14 и второго накапливающего сумматора 20, фиксирует в них соответственно коды В и В :

В К t- О + К, К KI;

В К , - 0 К,.

При этом коды Kg из регистра 8 и В из первого накапливающего сумматора 14 переписываютс в третьи чейки соответственно ОЗУ 10 и 16. После окончани четвертого импульса измер емой

частоты счетчики 9 и 15 импульсов измер емой частоты увеличивают свое состо ние на единицу и адресуют четвертые чейки всех ОЗУ.

Таким образом можно записать выражени дл кодов В. и В.1, формируемых на выходах соответственно накапливающих сумматоров 14 и 20 после квантовани -1-го периода исследуемого сигнала, т.е. после прихода (Ј+1)-..го импульса измер емой частоты , при

j-ii М-1

В; Т К.-; В1. 1L 1L К;. (1)

)1 J l J Соответственно в i-e чейки ОЗУ 10 и 16 записываютс код К, и код В.

91

После окончани квантовани (п+1) го периода измер емой частоты, т.е. при i п, +1 (дл определенности положим, что ), первый счетчик 9 импульсов измер емой частоты устанавливаетс в состо ние п + 1, при котором на его кодовом выходе формируетс код О, а на управл ющих выходах сигналы измен ютс таким образом , что первое ОЗУ Ю переключаетс в режим чтени , а второе ОЗУ 11 - в режим записи информации (счетчик 9, например, может быть реализован в. виде последовательно соединенных дву счетчиков с коэффициентами пересчета соответственно гц + 1 и 2, при этом кодовый выход соответствует кодовому выходу первого счетчика, а управл ю- ,щие сигналы снимаютс с пр мого и инверсного выходов второго счетчика с коэффициентом пересчета 2). При этом код Kf, записанный в первой чейке первого ОЗУ 10, считываетс из последнего и, пройд первый преобразователь 12 кода, преобразуетс в код отрицательного числа -К п. Следовательно , на выходе первого сумматора 13 формируетс код К п, + ,- К,, а код Кп +, записываетс в первую чейку второго ОЗУ 11. Следующий -импульс измер емой частоты (после квантовани (п, + 2)-го периода, i п + 2) фиксирует на выходе второго накапливающего сумматора 14 код суммы

в; - |KJ + Kv-K f n ,J -K,ZV(2)

Таким образом, при n1 + 1 : i n1 + + 1 запись кодов К осуществл етс во второе ОЗУ 11, а на вход первого преобразовател 12 кодов считываютс кодыК,, , запомненные в первом ОЗУ 10. При этом формирование кода Bf на выходе второго накапливающего сумматора 14 производитс в соответствии с выражением:

1-1-п

f-1-n,

в, - Г к, -

С к - Ј- к 2-

К,- j:i-f

jW-fl, ;i

а формирование кода В . на выходе рого накапливающего сумматора 20 изводитс в соответствии с выражем:

1176

10

м Lj .i

jmrj-n .

К

(4)

При i n i + 1, т.е. после оконча- ни квантовани (па + 1)го периода измер емой частоты, второй счетчик 15 импульсов измер емой частоты устанавливаетс в состо ние п + 1, при котором на его кодовом выходе формируетс код адреса О 1, а сигналы на управл ющих выходах переключаютс таким образом, что третье ОЗУ 16 переходит в режим чтени , а четвертое ОЗУ 17 - в режим записи информации 5 (счетчик 15 построен аналогично счетчику 9). При этом код В1, считанный из первой чейки третьего ОЗУ 16, преобразуетс в отрицательный код

5

0

5

-В с помощью второго преобразовател 18 кода и поступает на первый вход второго сумматора 19. На выходе последнего формируетс код В. - В1, т.е. при 1 i 2 (п г 4- 1) запись кодов В. с выхода второго накапливающего сумматора 14 осуществл етс в четвертое ОЗУ 17, а на вход второго преобразовател 18 кода считываютс коды В;-п1 запомненные в третьем ОЗУ 16. Следовательно, в этом случае дл значени кода В. на выходе первого накапливающего сумматора 20 можно записать выражение

;., 1-пг- f- -n Ј Bj - f-i

В;

, -пг}

BJ

В . J

(5)

Подставив в получают

(5) значение В- из (3),

0

В.

J-

к

m

(6)

w.j-n, + 1) первый счетчик 9

При i 2(п1 импульсов измер емой частоты сбрасы5 ваетс в О и формирует управл ющие сигналы таким образом, что первое ОЗУ 10 переходит в режим записи, т.е. в режим задержки очередных кодов К. на интервал времени, равный сумме дли0 тельностей гц последующих периодов входного сигнала, а второе ОЗУ 11 переключаетс в режим чтени информации , т.е. считывани кодов К ,- п , предшествующих i-му периоду входного

сигнала. Аналогичным образом при i 2(п1 + 1) второй счетчик 15 импульсов измер емой частоты переполн етс и формирует - на кодовом выходе код О. При этом ОЗУ 16 и 17 переключаютс соответственно в режим записи кодов В- и в режим чтени кодов Bj.n . Наличие пар ОЗУ 10, 11 и 16, 17, попеременно работающих в режимах записи и считывани , позвол ет совмещать во времени процессы задержки кодов К- , В , и процессы считывани кодов

К

5-п,

В, П4

что обеспечивает высо

кое быстродействие устройства,

Установившийс режим, т.е. режим„ при котором прекращаетс монотонное увеличение величин В; и в ; (изменение В; и В происходит только под воздействием изменени измер емой величины и вли ни погрешностей измерени ),наступает по прошествии п , n /j n периодов исследуемого сигнала от начала измерительного цикла. Из выражени (6) следует, что установившеес зна- чение внутренней суммы наступает после накоплени п7 кодов квантованных периодов входного сигнала, т.е. после накоплени п „ периодов исследуемого сигнала из-за вычитани кодов К -,п задержанных на nfl периодов,количество кодов К., участвующих в формировании суммы остаетс посто нным и равным п ,, Аналогичным образом дл установлени суммы (6) необходимо накопить п а установившихс сумм В ;, Следовательно, дл получени установившегос режима в устройстве необхо

п Ј п квантовандимо накопить п + ных периодов входного сигнала, а код BJ на выходе второго накапливающего сумматора 20 в установившемс режиме пропорционален среднему из п периоду входного сигнала. Дл доказательства последнего утверждени и определени коэффициента пропорциональности наход т математическое ожидание В/-«

(7)

40 цифрового отсчетного устройства, ход формировател импульсов измер мой частоты соединен с Т-входом Т триггера, инверсный выход которог соединен с вторыми входами первог

К . j«1-ni «nsj-n, ™

В силу линейности операций суммирова- 45 ВТ°Р°ГО вентилей, пр мой выход Тни выражение(7) можнопереписать в

виде

т- j-t

jsi-n M j-ntJsi-n,

в t-i

Kn Kn,n, , (8) j - - i T

где К Km- значение измер емого периода , выраженное через число импульсов опорного квантующего сигнала.

Следовательно, В1, пропорционально измер емой величине и оценка среднего из п периодов измер емого-сигнала получаетс в виде

триггера соединен с R-входом Т-три гера, выход первого вентил соеди со счетными входами первого и вто го счетчиков импульсов измер емой 5р частоты, с синхронизирующими входа счетчика квантующих импульсов, ре стра, первого и второго накапливаю щих сумматоров, кодовые выходы сч чика квантующих импульсов соедине с соответствующими входами регистр кодовые выходы которого соединены информационными входами первого,в рого оперативных запоминающих устройств , адресные входы которых сое

55

Т t,,B./n n

1

(91

где t

При

- длительность периода опорного сигнала.

этом, поскольку код В; формируетс по каждому импульсу измер емой частоты, интервалы времени Т между моментами съема результатов измерени при проведении серии последовательных измерений равны Т..

Claims

Формула изобрет

е н и

5 5

1 . Цифровой измеритель длительности периода, содержащий последовательно соединенные входную шину, формирователь импульсов измер емой частоты и первый вентиль, а также второй вентиль , первый счетчик импульсов измер емой частоты, генератор опорной частоты, формирователь квантующих импульсов , регистр, первый сумматор, цифровое отсчетное устройство, выход генератора опорной частоты соединен с формирователем квантующих импульсов , выход регистра соединен с соответствующими входами первого сумматора , отличающийс тем, что, с целью повышени точности за счет снижени динамической ошибки измерени , в него дополнительно введены Т-триггер, второй счетчик импульсов измер емой частоты, четыре опера5 тивных запоминающих устройства, два преобразовател кодов, два накапливающих сумматора, второй сумматор, выход которого через второй накапливающий сумматор соединен с входом

0 цифрового отсчетного устройства, выход формировател импульсов измер емой частоты соединен с Т-входом Т- триггера, инверсный выход которого соединен с вторыми входами первого и

0

триггера соединен с R-входом Т-триг- гера, выход первого вентил соединен со счетными входами первого и второго счетчиков импульсов измер емой р частоты, с синхронизирующими входами счетчика квантующих импульсов, регистра , первого и второго накапливающих сумматоров, кодовые выходы счетчика квантующих импульсов соединены с соответствующими входами регистра, кодовые выходы которого соединены с информационными входами первого,второго оперативных запоминающих устройств , адресные входы которых сое5

1315

динены с кодовым выходом первого счетчика импульсов измер емой частоты , информационные выходы старшего разр да которого соединены соответ- i ственно с управл ющими входами перво- го и второго оперативных запоминающих устройств, информационные выходы которых через первый преобразователь кода соединены с первым входом первого сумматора, выход которого через первый накапливающий сумматор соединен с информационными входами второго сумматора и третьего, четвертого оперативных запоминающих устройств, адресные входы которых соединены с кодовыми выходами второго счетчика импульсов измер емой частоты, информационные выходы старшего разр да которого соединены соответственно с управл ющими входами третьего и четвертого оперативных запоминающих устройств , информационные выходы которых через второй преобразователь кода соединены с первым входом второго сумматора, выход формировател квантующих импульсов соединен с входом синхронизации формировател импульсов измер емой частоты и первым вхо

1

5

0

5

7614

дом второго вентил , выход которого соединен со счетным входом счетчика квантующих импульсов, 3-:вход Т-триг- гера соединен с шиной Пуск измерител ,
2. Измеритель по п.1, отличающийс тем, что формирователь импульсов измер емой частоты содержит усилитель-ограничитель, трех- входовый элемент И-НЕ, двухвходовый элемент И-НЕ, два RS-триггера, инвертор , выход которого вл етс выходом формировател , вход которого через усилитель-ограничитель соединен с первым входом трехвходового элемента И-НЕ и R-входом второго RS-триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом трехвходового элемента И-НЕ, выход которого соединен с первым входом двухвходового элемента И-НЕ и R-входом первого RS-триггера, пр мой выход которого соединен с входом инвертора и S-входом второго RS-триггера, первый вход двухвходово- го элемента И-НЕ соединен с S-входом первого RS-триггера и входом синхронизации формировател .

a s s / / / / / /л /л

гМ гК -,,

«вЦи 4U -«4®----5о4-ж

5 ГП

At

i Kf-lrfrH, гпм hi hi hyi

It

В Р.ППП

пппппппппппцпппппппппппппп ппппппппппппппп

дТ

ndtnc

1ПППППППППППППППП„ПППППППППППППП ;,ППППППППППППППГ ж 1 I-I I1 I-I ,Г-1 ГП I-I „Г-1 ГП /

J

It

1L