Цифровой измеритель длительности периода

 

1 1ФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПЕРИОДА, содержащий последовательно соединенные опорный генератор и формирователь квантукщих импульсов, первый сумматор, электронный счетчик, последовательно соединенные формирователь импульсов измеряемой частоты и первый ключ, второй ключ, а также счетчик импульсов измеряемой частоты, отличающий ся тем, что, с целью.повышения точности и надежности измерений, в него введе1 Г преобразователь кода, кодовый компаратор, дешифратор, первый регистр памяти, а также последовательно соединенные второй сумматор, элемент ИЛИ, второй регистр памяти, третий сумматор и третий регистр памяти, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, второй выход последнего подключен к входу электронного счетчика , выход второго регистра памяти соединен с первым входом второго сумматора , второй вход которого подключен к выходу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом преобразовател кода, вход последнего подк;)ючен к первому входу кодового компаратора, входу дешифратора и выходу счетчика импульсов измеряемой частоты, вход последнего соединен с первым входом первого и с вторым входом второго регистров памяти и ЕЫХОдом первого ключа, второй вход которого подключен к выходу кодового комО ) паратора, второй вход последнего соединен с вторым входом первого регистр а. памяти и первым входом второго ключа, второй вход которого подключён к выходу дешифратора, выход второго ключа Соединен с вторым входов элемента ИЛИ, выход формирователя кванту юи91х импульсов подключен к первому ;входу формирователя импульсов измеря;емой частоты и к второму входу треСП ,.тьего регистра, выход первого регистvj ра памяти соединен с вторым входом первого сумматора.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (}9} (11) у.}}} 6 01 R 23/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М ABT0PGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИИ И ОТКРЫТИЙ (21) 3367905/18-21 (22) 23 .12 .81 (46) 07 04.83. Ь, Ь" 13 (72) В.А.Карелин (53) 621.317.373 (088:8) (56) 1. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев. "Вища школа", 1980, с. 373, рис. 8-13в.

2. Авторское свидетельство СССР

У 661382, кл. 4 01 R 23/02, 12.07.76 (прототип) . (54) (57) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПЕРИОДА, содержащий последова. тельно соединенные опорный генератор и формирователь квантующих импульсов, первый сумматор, электронный счетчик, последовательно соединенные формирователь импульсов .измеряемой частоты и первый ключ, второй ключ, а также счетчик импульсов измеряеьюй частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности измерений, в него введены преобразователь кода, кодовый компаратор, дешифратор, первый регистр памяти, а также последовательно соединенн е второй сумматор, элемент ИЛИ, второй регистр памяти, третий сумматор и третий регистр памяти, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, второй выход последнего подключен к входу электронного счетчика, выход второго регист} а памяти соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к. выходу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом о преобразователя кода, вход последнего подключен к первому входу кодового компаратора, входу дешифратора и выходу счетчика импульсов измеряемой частоты, вход последнего соединен с первым входом первого и с вторым входом второго регистров памяти и выходом первого ключа, второй вход кото- д рого подключен к выходу кодового компаратора, второй вход последне го соединен с вторым входом первого регистра памяти и первым входом второго ключа, второй вход которого подключен к выходу дешифратора, выход второго ключа соединен с вторым вход®ч элемента ИЛИ, выход формирователя кяанту.ющих импульсов подключен к первому

;входу формирователя импульсов измеря;емой частоты и к второму входу третьего регистра, выход первого регистра памяти соединен с вторым входом пер вого сумматора.

10 10570

Изобретение относится к цифровой измерительной технике.

Известен цифровой частотомер, содержащий опорный генератор, формирователь .квантующих импульсов, формирователь импульсов измеряемой частоты, счетчик импульсов измеряемой частоты, ключ, электронный счетчик (1).

Недостаток известного у строй ст ва состоит в невысокой точности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройст во, содержащее последовател ьно соединенные генератор опорной чаЮ 15 стоты, формирователь импульсов, первый ключ, электронный счет чи к, второй ключ и сумматор, третий ключ, а также последовател ьно соединенные формирователь импульсов измеряемой частоты, счет чик, выход которо ro соединен с вторым входом первого ключа, выход формирователя импульсов измеряемой частоты связан с вторыми входами второго и трет ьего ключа, второй выход электронного счетчика подклю25 чен к первому входу третьего ключа, выход последнего соединен с вторым входом сумматора, второй Bb1ход счет— чика подключен к третьим входам второго и третьего ключа (?).

Однако такое устройство характеризуется низкой точностью измерения и недостаточной надежност ью, обусловленной синхронизацией процесса суммирования импул ьсами измеряемой ча- 35 стоты.

Цель изобретения — повышение точности измерения и повышение надежности работы.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель длительности периода, содержащий по следо ват ел ьно соединенные опорной генератор и формирователь кBàíòóþùèõ импульсов, 45 первый сумматор, электронный счетчик, последовательно соединенные формирователь импульсов измеряемой частоты и первый ключ, второй ключ, а также счет чи к и мпул ьсов измеряемой частоты, введены преобразователь кода, кодовый компаратор, дешифратор, пер» вый регистр памяти, а также последовательно соединенные второй сумматор, элемент ИЛИ, второй регистр памяти, В третий сумматор и третий регистр памяти, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, второй выход последнего подключен к входу электронного счетчика, выход второго регистра памяти соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом преобразователя кода, вход последнего подключен к первому входу кодового компаратора, входу деши фр ат ор а и вы ходу с чет чи ка импульсов измеряемой частоты, вход последнего соединен с первым входом первого и с вторым входом второго регистров памяти и выходом первого ключа, второй вход которого подключен к выходу кодовОго компаратора, второй вход последнего соединен с вторым входом первого регистра памяти и первым входом второго ключа, второй вход которого: подключен к выходу дешифратора, выход второго клю- ча связан с вторым входом элемента

ИЛИ, выход Формирователя квантующих и мпул ьсо в подкл юче н к пер во му входу формирователя импульсов измеряемой частоты и второму входу третьего ре ги ст р а, выход пер во го р е ги ст р а па. мяти соединен с вторым входом первого сумматора.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие работу цифрового измерителя длительности периода.

Устройство содержит опорный генератор 1, формирователи 2 и 3 кван- ° тующих импульсов и импульсов измеряемой частоты соответственно, первый ключ 4, кодовый компаратор 5, счетчи к 6 импульсов измеряемой частоты, дешифратор 7, второй ключ 8, преобразователь 9 кода, первый регистр

10 памяти, первый 11.и второй 12 сум-. маторы, элемент ИЛИ 13, второй регистр 14 памяти, третий сумматор 15, третий регистр 16 памяти, электронный счетчик 17.

Цифровой измеритель длительности периода работает следующим образом.

Перед началом цикла измерения счетчик 6 импульсов измеряемой частоты, регистры 10, 14 и 16 памяти и электронный счетчик 17 установлены в нулевое состояние сигналом начальной установки. Следовательно на выходах сумматоров 11, 12 и 15 действуют коды нулей . Квантующие импульсы поступают на второй входрегистра 16 памяти, но не изменяют состояния последне:го, так как на первом

3 10105 входе регистра 16 памяти действует нулевой код с выхода сумматора.15.

При этом импульсы на выходе сигнала переноса сумматора 15 не возникают и у строй ст во продолжает находит ь ся в исходном состоянии. На кодовый вход устройства постоянно подается код числа М усредняемых периодов измеряемого сигнала. Кодовый компаратор 5 сравнивает коды на выходе ó счетчика 6 импульсов измеряеиэй частоты и на кодовом входе устройства и в случае i n формирует потенциал, разрешающий проход сигналов через ключ 4 (где i - код на выходе счетчика 6 импульсов измеряемзй частоты). Нулевой: код на выходе счетчика 6 импульсов измеряемой частоты дешифрируется дешифратором 7, который формирует на своем выходе потенциал, разрешающий проход сигнала кода и с кодового входа устройства на вход элемента ИЛИ 13 и с его выхода на первый вход регистра 14 памяти.

Входной си гнал (фи г. 2а), период которого требуется измерить, поступает на вход формирователя 3 импульсов измеряемой частоты, который формирует импульсный сигнал, фронты которого совпадают с квантующи и импуль-О сами, ближайшими к моментам перехода входного сигнала через нулевой уровень (фиг. 2б) в силу стробирования формирователя 3 импульсов измеряемой частоты квантующими импульсами с выхода формирователя 2 квантующих импульсов. Первый импульс с выхода формирователя 3 импульсов измеряемой частоты через открытый ключ 4 поступает на вход счетчика 6 импульсов.измеряемой частоты и на входы регистров

10 и 14 .памяти и своим передним положительным фронтом переносит на выходы последних код числа и, действующий на второй вход регистра 10 с кодового входа устройства, а на первый вход45 регистра 14 памяти - с выхода элемента ИЛИ 13. Код числа и поступает на вход сумматора .15, проходит -на его выход и поступает на первый вход регистра 16 памяти и по фронту кванту- 5О ющих импульсов переписывается на выход регистра, 16 памяти. С выхода регистра 16 памяти код поступает на второй вход сумматора 15. Поэтому в результате накапливающего суммиро- 55 вания в течение первого периода изме. ряемой частоты по каждому квантующему импульсу происходит увеличение

70 4 содержимого регистра 16 памяти и электронного счетчика 17, который фиксирует импульсы с выхода сигнала переноса сумматора 15 на число и (фиг.2в), т.е. в момент формирования положительного фронта второго импульса измеряемой частоты в регистре 16 памяти и в счетчике 17 накапливается чиСло, равное и Т,,Задний, отрицательный фронт первого импульса измеряемой частоты, действуя на входе счетчика 6 импульсов измеряемой частоты, формирует на его выходе код единицы, который поступает на вход преобразова теля 9 кода и вход дешифратора 7. При этом дешифратор 7 снимает разрешающий. потенциал с входа ключа 8, запрещая тем самым проход первого сигнала на информационный вход регистра 14 памяти. Преобразователь 9 кода вырабатывает на своем выходе код числа

-2", где 1- код на выходе счетчика.

6 импульсов измеряемой частоты (т.е. первый импульс измеряемой частоты формирует на выходе преобразователя 9 кода код — 2) . В каче ст ве примера можно предложить реализацию преобразователя 9 кода, работа которого основана на следующем алгоритме: умно- жение на 2 в двоичном коде равносильно сдвигу кода числа влево на один разряд, что можно осуществить присоединением дополнительного младшего разряда, равного нулю, т.е.

2" и- к-х" Ф Яо=Фк- Фх - Ъ9оо, код отрицательного числа в двоичном коде выразится дл 9к-1%к 2- Ф,9 оо=

= 9 к „qrK -. 919oh+4

Таким образом, преобразователь 9 кода должен осуществлять сдвиг кода числа влево на один разряд, инвертировать полученный код и сложить его с кодом единицы.

Следовательно, после отрицательного фронта первого импульса измеряемой частоты на первый-. вход сумматора 11 поступает код -2, а на его второй вход приложен код и с выхода регистра 10 памяти. На выходе сумматора 11 формируется код числа п-2, ко-„ торый поступает на вход сумматора 12.

На втором входе последнего действует код и с выхода регистра 14 памяти, поэтому на выходе сумматора 12 . формируется код суммы и+п-2,, который с выхода сумматора 12 через элемент

70 6 кода числа на выходе регистра 15 па. мяти следующим образом.

1 й„ =, Ь- 2.(- )1 =

1=1

6(-Ы,-(И-2) h (n-ô)Ü T

"сР (ч+ ) (а+

5 10105

ИЛИ 1) прикладывается к первому входу регистра 14 памяти. Положительный . фронт второго импульса измеряемой частоты переписывает код n+n-2=2п -2 с первого входа регистра 14 памяти на его выход и, следовател ьно, на вход сумматора 15. По каждому квантующему импульсу содержимое регистра

16 памяти и электронного счетчика 17 увеличивается на 2п-2 в течение второго периода и мпул ьсов измеряемой частоты . Кроме того, передний фронт второго импульса измеряемой частоты подтверждает код на выходе регистра

10 памяти и переводит счетчик 6 импульсов измеряемой частоты в состояние "2". Преобразователь кода формирует на своем выходе код числа "-4", который, поступая на вход сумматора

1, суммируется с кодом и, действу- 20 ющим на выходе регистра 10 памяти, формируя на выходе сумматора 1 1, и, следовательно, на входе сумматора 12 код суммы и -4. Сумматор 12 осуществляет суммирование кода и-4 с кодом И

2п-2, поступающим íà его второй вход с выхода регистра .14 памяти и, форми-, рует на своем выходе код 3п -6, который через элемент ИЛИ 13 поступает на первый вход регистра 14 памяти. зо

Положительный фронт третьего импульса измеряемой частоты пере пи сы вает код

Зп-6 на выход регистра 14 памяти, обеспечивая тем caw накапливающее суммирование числа Зп б по каждому квантующему импульсу в сумматоре 15, регистре 16 памяти и электронном счетчи ке 17, а отри цател ьный фронт трет ье— го импульса измеряемой частоты формирует на информационном входе регист40 ра 14 памяти код числа 4п-12. Регистры 10, 14 и 16 памяти построены таки м ббр азом, что на их выходы переписы вается код, который присут ст вует на первых входах в момент действия

45 положительного фронта сигнала на входах синхронизации, и не реагируют на из менения си гнало в на и нфор маци он ных

1 входах в течение длительности импуль" са на входе синхронизации.

Для i ого периода измеряемой частоты можно написать выражение для

= 1И- 2 X (a-1)=1 (И-1+1) (f j

1=1

Из выражения (1) следует, что (и+

+1) -й импульс измеряемой частоты фор мирует на выходе регистра 14 пвмяти код нуля. Одновременно (и+1) -й импульс измеряемой частоты устанавли вает на выходе счетчика 6 импульсов измеряемой частоты, а следовательно, на втором входе кодового компаратора кода и+1, который превышает код числа и, приложенного к первому входу кодового компаратора 5. Поэтому последний формирует потенциал, запрещающий проход сигналов через ключ 4. При этом в регистре 16 памяти и электронном счетчике 17 фиксируется число Т, пропорциональное периоду исследуемого сигнала и и (-+)Т„„, При этом у строй ст во продолжает сохранять накопленный результат, так как на входе сумматора 15 действует код нуля с выхода регистра 14 памя-. ти, а ключ 4 закрыт потенциалом с выхода кодового. компаратора 5. Сигнал начальной установки переводит в нулевое состояние регистры 10, 14 и

16 памяти, электронный счетчик 17 и счетчик 6 импульсов измеряемой частоты. При этом открывается ключ 4,и начинается новый цикл измерения .

Оцен ку средне го иэ и периодов и сследуемого сигнала производят следующим образом:

box ср

X. (è-1ч) и(и+4(и+4

1 М

Погрешность измерения одного периода Т„, и среднего из и периодов измеряемого сигнала

Т„-Т + E< 2

ЬТ1=Т1 SN;Т1=-b1+h2 йт 2. Ь 2+ ЬЪ аТ„-=- +а„.+1 ...- (и -2 i+2) 6Ä-...+ ha <

2) При условии статистической независимости погрешностей Д„. дисперсия погрешности измерения ДТ

60 И+, 2 2. 3Ъ 6 (И-2-1+1) 6G, о (g)

<9 (+1) (Р 4- )1 И(И+ 1)(М-)

7 10105 д

"4e0p = - - дисперсия погрешности дис0 кретности измерения одного периода исследуемого си гнала.

Анало„чно „ожно показать, что 5 дисперсия ошибки измерения, обусловленная аддитивным шумом во входном си гнале, выразит ся а

2 6Gmo lo и (6+1) (a+a)

3 где б,„- дисперсия шумовой ошибки при из мерении одно го периода исследуемого сигнала

z,ò; n = к где Г, - время корреляции случайного . процесса.

В устройстве-прототипе число, накапливаемое в сумматоре, определяется выражением т =-Т +ж.,... + < 7 + --Т.

И

1, 2- ) м 1 2. и }х+1

+ (Ф1)ТИФФ Х+" ° 4 ти а поэтому длительность среднего из и периодов равна

Е 4 х Т

СР lira-1 . ИВ . Ylg

K + 1

1М р1

Следовательно, средне квадрати ческая по грешност ь и змерения определится выражением где 0 =Т /12 - среднеквадратическая

О О погрешност ь ди с крет ности при квантовании р одного периода измеряемого сигнала.

70 8

Для сравнения точности измерения из весен ого и предла гае мого устрой ст в найдем отношение выражений (3) и(4 ), Я щр) as,è(èì)(è+ú) ф() n 6G т.е. точность измерения увеличивается в 1,4 раза.

Благодаря тому, что фронты импульсов измеряемой частоты "привязан, " к квантующим импульсам, процессы накапливающего суммирования в сумматорах 11, 12 и 15 синхронизировани, что выгодно отличает предлагае- мое устрой ст во от и звест ного, так как искпючаются грубые сбои в работе устройства при совпадении во времени фронтов импульсов измеряемой частоты и квантующих и мпул ьсов.

Таким образом, введение новых weментов и связей между ними позволяет повысить точность измерения и надежность работы устройства. о

При построении макета устройства использовались ьмкросхеье серий 521, l33, 130. Иакет испытывался при измерении периода сигнала частоты

=1О кГц с выхода частотного компаратора r7-12 и времени измерения Г,=1 с (n=10000) . Дпя сравнения этот же сигнал -измерялся с помощью серийно выпускаемого частотомера г3-54. Оуммарная погрешность измерения (погрешность дискретности и шумовая погрешност ь) при использовании серийного прибора, использующего классический алгоритм измерения, оказалась в 20 о раз больше погрешности, показанной макетом предлагаемого устройства.

1010570 льеь,елж/ усжюи Ж

Составит ел ь В, Кашут а

Редактор Н.Безродная Техред M.Ãåðãåëü . Корректор И.Оарощи

Заказ 2483/35 Тираж 708 Под пи сное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Рауаская наб., д. 4/5

С

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4