Двухшкальный нониусный способ измерения временных интервалов

 

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано в современной технике: радиолокации, прецизионных измерителях временных интервалов, фазометрах, цифровых вольтметрах и т.д. Цель изобретения - повышение точности измерения. В двухшкальном нониусном способе измерения временных интервалов временные отрезки t_хн и t_хк измеряют с помощью основной шкалы счета и двух нониусных шкал: при измерении временного отрезка t_хн используются постоянная нониусная шкала с периодом следования импульсов T_н и нониусная шкала с периодом следования импульсов T_вн, а при измерении временного отрезка t_хк - постоянная нониусная шкала и нониусная шкала с периодом следования импульсов T_вн. Временной отрезок t_хн подсчитывается по формуле: а временной отрезок t_нк - по формуле: В формулы 1) и 2) не входят величины периодов нониусных шкал T_вн и T_вк, имеющие большую временную и температурную нестабильность, а периоды импульсов T_o и T_н формируются из частоты высокостабильного генератора F_o. Точность измерения временных интервалов T_к определяется величиной T=T_н-T_o или T=T_o-T_н , которая может быть какой угодно малой величиной. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано в современной технике: радиолокации, измерителях временных интервалов, фазометрах, частотомерах, цифровых вольтметрах и т.п.

Известен верньерный способ измерения временных интервалов с помощью временной шкалы, формируемой из частоты образцового кварцевого генератора, и двух временных нониусных шкал, формируемых верньерными генераторами ударного возбуждения /1/. Запуск верньерных генераторов осуществляется с помощью входных сигналов, между которыми измеряется временной интервал T_х. Период входных импульсов генератора образцовой частоты T_o отличается от периодов выходных импульсов верньерных генераторов на относительно малую величину: где: T_вн период выходных импульсов верньерного генератора начала измерения T_х; T_вк период выходных импульсов верньерного генератора конца измерения T_х.

Измеряемый временной интервал T_х разбивается на три временных отрезка: отрезок t_хн от первого входного стартового сигнала до следующего за ним импульса генератора образцовой частоты длительностью _o отрезок T_хо от данного первого импульса _o до последнего импульса генератора образцовой частоты _o после которого следует второй входной стоповый сигнал, отрезок t_хк от последнего импульса о до второго входного стопового сигнала /1/.

В известном способе измерения временной отрезок T_хо определяется методом прямого счета импульсов генератора образцовой частоты с периодом T_о и умножением полученного числа N на период T_о. Временные отрезки t_нх и t_хк определяются верньерным методом путем подсчета чисел импульсов вн и вк верньерных генераторов до их совпадения во времени с импульсами генератора образцовой частоты и умножением полученных чисел на величины T_н и T_к. Измеряемый временной интервал определяется по формуле: T_x=t_хн+T_хо+t_хк=n_внT_н+NT_o+n_вкT_к. (3) Точность измерений верньерного способа ограничивается временной и температурной нестабильностью частот верньерных генераторов разных частот.

Цель изобретения повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в двухшкальном нониусном способе измерения временных интервалов формируют постоянную нониусную шкалу из частоты образцового кварцованного генератора, период следования импульсов которой отличается от периода следования импульсов основной шкалы счета на определенную малую величину, считают импульсы временной шкалы основного счета с момента прихода стартового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, одновременно считают импульсы постоянной нониусной шкалы с момента прихода стартового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, стартовым импульсом запускают верньерный генератор начала счета измеряемого временного интервала и считают импульсы верньерной шкалы начала счета до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, одновременно считают импульсы основной шкалы счета с момента прихода стартового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы начала счета, далее считают импульсы верньерной шкалы начала счета до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, одновременно считают импульсы постоянной нониусной шкалы с момента прихода стартового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы начала счета, стоповым импульсом запускают верньерный генератор конца счета измеряемого временного интервала и считают импульсы верньерной шкалы конца счета до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, одновременно считают импульсы основной шкалы счета с момента прихода стопового импульса до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы конца счета, а также считают импульсы верньерной шкалы конца счета до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, одновременно считают импульсы постоянной нониусной шкалы с момента прихода стопового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом верньерной шкалы конца счета, считают импульсы шкалы основного счета с момента прихода стопового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, одновременно считают импульсы постоянной нониусной шкалы с момента прихода стопового импульса до момента совпадения во времени импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, после чего рассчитывают длительность T_х временного интервала T_x(t_хн + T_хо -t_хн), причем длительность временного отрезка t_хн определяют по формуле:

а длительность временного отрезка t_хк по формуле:

где: T_o период следования импульсов основной шкалы счета;
T_н период следования импульсов постоянной нониусной шкалы;
N_нн число импульсов постоянной нониусной шкалы начала счета при измерении временного отрезка t_хн;
N_н число импульсов постоянной нониусной шкалы начала счета;
n_нн число импульсов верньерной шкалы начала счета;
n_он число импульсов верньерной шкалы начала счета;
N_он число импульсов шкалы основного счета начала счета;
N число импульсов шкалы основного счета при измерении временного отрезка T_хо;
N_нк число импульсов постоянной нониусной шкалы конца счета при измерении временного отрезка t_хк;
n_нк число импульсов верньерной шкалы конца счета;
n_ок число импульсов верньерной шкалы конца счета;
N_ок число импульсов шкалы основного счета конца счета;
n_o число импульсов шкалы основного счета конца счета.

Двушкальный нониусный способ измерения временных интервалов отличается от прототипа тем, что формируют постоянную нониусную шкалу из частоты образцового кварцевого генератора, период T_н следования импульсов которого отличается от периода T_о следования импульсов основной шкалы счета на определенную как угодно малую величину T и одновременно считают импульсы основной шкалы счета _o и импульсы постоянной нониусной шкалы _н с момента прихода стартового или стопового импульса до момента совпадения импульсов _o и _н во времени, стартовым и стоповым импульсами запускают верньерные генераторы начала и конца счета соответственно и одновременно считают импульсы верньерного генератора начала счета _вн и _o и _н с момента прихода стартового импульса до момента совпадения во времени импульса _вн с импульсами _o и _н а также одновременно считают импульсы верньерной шкалы конца счета _вк и импульсы _o и _н с момента прихода столового импульса до момента совпадения во времени импульса _вк с импульсами _o и _н а далее измеряемый временной интервал T_х рассчитывается по приведенной выше формуле.

На фиг. 1 дана блок-схема устройства, реализующего способ измерения временных интервалов; на фиг. 2 временные диаграммы измеряемого временного интервала при соотношении периодов T_о < T_н < T_в; на фиг. 3 временные диаграммы измерения временного интервала при соотношении периодов T_о > T_н > T_в.

Устройство содержит генератор 1 образцовой частоты F_о для формирования шкалы основного счета с периодом следования импульсов T_о, для формирования постоянной нониусной шкалы с периодом следования импульсов T_н и обеспечения работы схем измерения t_хн и t_хк, схему 2 измерения T_хо, формирователь 3 входных сигналов: T_хн стартовый импульс и T_хк стоповый импульс, между которыми измеряется временной интервал T_х, формирователь 4 постоянной нониусной шкалы с периодом следования импульсов T_н, формирователь 5 нониусной шкалы T_вн, схему 6 измерения t_хн временного отрезка t_хн, формирователь 7 нониусной шкалы T_вк, схему 8 измерения временного отрезка t_хк и вычислительный блок 9.

Способ измерения временных интервалов реализуется следующим образом.

Для измерения временного отрезка t_хн подсчитывают число импульсной основной шкалы счета N_о и постоянной нониусной шкалы N_н с момента прихода стартового импульса _хн до момента совпадения во времени этих импульсов (фиг. 20, в), стартовым импульсом хн запускается верньерный генератор начала счета и одновременно считают число импульсов основной шкалы счета N_он и верньерной шкалы начала счета n_он до момента совпадения во времени импульсов _o и _вн (фиг. 2б, г), а также одновременно считают число импульсов постоянной нониусной шкалы N_нн и верньерной шкалы начала счета n_нн во времени импульсов _н и _вн (фиг. 2в, г).

По временной диаграмме на фиг. 2 составляется система уравнений:

где: t_хн временной отрезок между стартовым импульсом _хн и первым импульсом _o пришедшим после стартового импульса,
t_вн временной отрезок между первым импульсом _вн и первым импульсом _н пришедшим после стартового импульса _хн
t_нн временной отрезок между импульсами _o и _н пришедшими первыми сразу после импульса _хн,
T_о период следования импульсов _o
N_о число импульсов _o с момента прихода импульсов _хн до последнего импульса _o перед совпадением импульсов _o и _н
T_н период следования импульсов постоянной нониусной шкалы,
N_н число импульсов _н с момента прихода импульсов _хн до последнего импульса _н перед совпадением импульсов _o и _н
T_вн период следования импульсов верньерной шкалы начала счета,
n_он число импульсов _вн с момента запуска верньерного генератора начала счета до последнего импульса _вн перед совпадением импульсов _вн и _o
N_он число импульсов _o с момента прихода импульса _хн до последнего импульса _o перед совпадением импульсов _вн и _o
n_нн число импульсов _вн с момента запуска верньерного генератора начала счета до последнего импульса _вн после которого импульсы _вн и _н совпадают во времени,
N_нн число импульсов _н с момента прихода импульса _хн до последнего импульса _н после которого импульсы _вн и _н совпадают во времени.

Решая уравнение (6), получим:

Работа схемы измерения t_хн устройства (фиг. 1) происходит следующим образом.

На вход схемы постоянно поступают импульсы _o и _н с момента поступления с формирователя входных сигналов на вход схемы стартового импульса t_хн начинается подсчет импульсов _o и импульсов _н в момент их совпадения счет импульсов прекращается и первый счетчик фиксирует число N_о, а второй счетчик число N_н, импульс _хн запускает верньерный генератор начала счета и начинается подсчет импульсов _o и _вн в момент совпадения которых счет импульсов прекращается и третий счетчик фиксирует число N_он, а четвертый счетчик число n_он, а также начинается подсчет импульсов _н и _вн в момент совпадения которых счет импульсов прекращается и пятый счетчик фиксирует число N_нн, а шестой счетчик число n_нн. После окончания подсчета импульсов схемой измерения t_хн из импульсов _хн, _o, _н и _вн и _он формируется импульс _он который поступает на вход формирователя нониусной шкалы начала счета и прекращает работу верньерного генератора, одновременно импульс _o поступает на вход вычислительного блока 9 и по заданной программе вычисляется длительность временного отрезка t_хн.

Временной отрезок T_хо измеряется методом прямого счета (фиг. 2б) и вычисляется по формуле:
T_хо T_о N, (8)
где N число импульсов основной шкалы счета _o
Работа схемы измерения T_хо устройства (фиг. 1) происходит следующим образом.

На вход схемы постоянно поступают импульсы _{хн o} С поступлением на вход схемы 2 с выхода формирователя 3 входных сигналов стартового импульса _хн счетчик схемы 2 начинает подсчитывать целые периоды следования импульсов шкалы основного счета T_о, начиная с второго импульса _o после стартового импульса _хк и до первого импульса после поступления на вход схемы стопового импульса _хк счетчик схемы 2 фиксирует число N (фиг. 2а). Данные со счетчика поступают в вычислительный блок и по заданной программе вычисляется временной отрезок T_хо.

Для измерения временного отрезка t_хк подсчитывают число импульсов основной шкалы счета n_о и постоянной нониусной шкалы N_х с момента прихода стопового импульса _хк до момента совпадения этих импульсов (фиг. 2б, в), стоповым импульсом запускают верньерный генератор конца счета и одновременно считают число импульсов основной шкалы счета N_ок и верньерной шкалы конца счета n_ок до момента совпадения импульсов _o и _вк (фиг. 2б, г), а также одновременно считают число импульсов постоянной нониусной шкалы N_нк и верньерной шкалы конца счета n_нк до момента совпадения импульсов _н и _вк (фиг. 2в, д).

По временной диаграмме на фиг. 2 составляют систему уравнений:

где: t_хк временной отрезок между стоповым импульсом _хк и первым импульсом _o пришедшим после стопового импульса _хк
t_вк временной отрезок между импульсами _вк и _н первыми пришедшими после стопового импульса _нк
t_нк временной отрезок между импульсами _o и _н пришедшими первыми после импульса _хк
T_о период следования импульсов _o
n_о число импульсов _o с момента прихода импульса _хк до последнего импульса _o после которого импульсы _o и _н совпадают во времени,
T_н период следования импульсов _н
N_н число импульсов _н с момента прихода импульса _хк до последнего импульса _н после которого импульсы _o и _н совпадают во времени,
T_вк период следования импульсов верньерной шкалы конца счета _вк
n_ок число импульсов _вк с момента запуска верньерного генератора конца счета до последнего импульса _вк после которого импульсы _вк и _o совпадают во времени,
N_ок число импульсов _o с момента прихода импульса _хк до последнего импульса _o после которого импульсы _вк и _o совпадают во времени,
n_нк число импульсов _вк с момента запуска верньерного генератора конца счета до последнего импульса _вк после которого импульсы _вк и _н совпадают во времени,
N_нк число импульсов _н с момента прихода импульса _хк до последнего импульса _н после которого импульсы _вк и _н совпадают во времени.

Решая систему уравнений (9), получим:

Работа схемы измерения t_хк устройства (фиг. 1) происходит следующим образом.

На вход схемы постоянно поступают импульсы _o и _н С момента поступления с формирователя входных сигналов на вход схемы стопового импульса _хк начинается подсчет импульсов _o и _н в момент их совпадения счет импульсов прекращается и первый счетчик фиксирует число n_о, а второй счетчик число N_к. Импульсом _хк запускается верньерный генератор конца счета и начинается подсчет импульсов _o и _вк в момент совпадения этих импульсов их счет прекращается и третий счетчик фиксирует число N_ок, а четвертый счетчик число n_ок, а также начинается подсчет импульсов _н и _вк в момент совпадения этих импульсов счет импульсов прекращается и пятый счетчик фиксирует число N_нк, а шестой счетчик число n_нк. После окончания подсчета импульсов схемой измерения t_хк из импульсов _хк, _o, _н и _вк формируется импульс _ок который поступает на вход формирователя нониусной шкалы T_вк и прекращает работу верньерного генератора конца счета, одновременно импульс _ок поступает на вход формирователя входных сигналов и подготавливает устройство к следующему циклу измерения, импульс _ок также поступает на вход вычислительного блока 9 и по заданной программе вычисляется временной отрезок t_хк.

Измеряемый временной интервал T_х определяется по формуле:

В формулу (11) не входят величины периодов верньерных генераторов T_вн и T_вк, что повышает точность измерения временного интервала T_x.

При соотношении периодов T_о > T_н > T_в (фиг. 3) измеряемый временной интервал T_x рассчитывается также по формуле (11).

Использование двушкального нониусного способа измерения временных интервалов обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества:
формирование постоянной нониусной шкалы из частоты образцового кварцевого генератора позволяет уменьшить дискретность счета T=T_н-T_o(T=T_o-T_н) до сколь угодно малой наперед заданной величины и повысить точность измерения временных отрезков t_хн и t_хк, следовательно, и временного интервала T_x;
в формулу (11) входят величины периодов постоянной нониусной шкалы T_н и шкалы основного счета T_о, сформированные из частоты F_о, что приводит к уменьшению погрешности измерения за счет температурной нестабильности частоты.

Формула изобретения

1. Двухшкальный нониусный способ измерения временных интервалов, заключающийся в формировании основной шкалы счета из частоты образцового кварцованного генератора и двух временных нониусных шкал при запуске соответствующих верньерных генераторов стартовым и стоповым импульсами, в подсчете импульсов шкал и вычислении измеряемого временного интервала на основе длительностей трех разделяющих его временных отрезков с использованием полученных результатов счета, отличающийся тем, что из частоты образцового кварцованного генератора формируют постоянную нониусную шкалу, период следования импульсов которой отличается от периода следования импульсов основной шкалы счета на заданную малую величину, и одновременно производят подсчет импульсов основной шкалы счета и постоянной нониусной шкалы с момента прихода стартового или стопового импульса до момента совпадения импульсов основной шкалы счета и постоянной нониусной шкалы, при запуске верньерных генераторов начала и конца счета соответственно стартовым и стоповым импульсами одновременно подсчитывают импульсы верньерной шкалы начала счета, основной шкалы счета и постоянной нониусной шкалы с момента прихода стартового импульса до момента совпадения импульса верньерной шкалы начала счета с импульсами основной шкалы и постоянной нониусной шкалы, а также одновременно подсчитывают импульсы верньерной шкалы конца счета, основной шкалы счета и постоянной нониусной шкалы с момента прихода стопового импульса до момента совпадения импульса верньерной шкалы конца счета с импульсами основной шкалы счета и постоянно нониусной шкалы, при этом с момента прихода стопового импульса импульсы основной шкалы счета подсчитывают до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом постоянной нониусной шкалы, импульсы которой одновременно подсчитывают до момента совпадения импульса этой шкалы с импульсом основной шкалы счета, после чего измеряемый временной интервал вычисляют на основе полученных значений счета импульсов шкал.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подсчет периодов N основной шкалы счета для длительности временного отрезка T_xo N T_о производят с второго импульса после прихода стартового импульса до первого импульса после прихода стопового импульса, а значения длительностей t_xн и t_xк в составе трех временных отрезков T_xo, t_xн и t_xк, разделяющих измеряемый временной интервал, и значение этого интервала T_x вычисляют по формулам
T_x t_xн + T_xo t_xк;

а длительность временного отрезка t_xк по формуле

где T_x измеряемый временной интервал;
T_o период следования импульсов основной шкалы счета;
T_н период следования импульсов постоянной нониусной шкалы;
N_нн число импульсов постоянной нониусной шкалы начала счета при измерении временного отрезка t_хн;
N_н число импульсов постоянной нониусной шкалы начала счета;
n_нн число импульсов верньерной шкалы начала счета;
n_он число импульсов верньерной шкалы начала счета;
N_он число импульсов шкалы основного счета начала счета;
N_о число импульсов шкалы основного счета начала счета;
N число импульсов шкалы основного счета при измерении временного отрезка Т_хо;
N_нк число импульсов постоянной нониусной шкалы конца счета при измерении временного отрезка t_xк;
N_к число импульсов постоянной нониусной шкалы конца счета;
n_нк число верньерной шкалы конца счета;
n_ок число импульсов верньерной шкалы конца счета;
N_ок число импульсов шкалы основного счета конца счета;
n_о число импульсов шкалы основного счета конца счета.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2