Способ измерения временных интервалов

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в экспериментальной физике и оптической локации. Целью изобретения является повышение точности. Поставленная цель достигается тем, что длительность измеряемого временного интервала определяют с учетом скорректированных значений длительностей начального и конечного интерполяционных импульсов, для определения которых используют результаты предварительной калибровки, осуществляют путем формирования последовательности импульсов, период следования которых случаен, а длительность произвольна. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к временным измерениям, и может быть использовано в экспериментальной физике и оптической локации.

Известен метод измерения временных интервалов, заключающийся в подсчете числа импульсов высокостабильного опорного генератора за измеряемый временной интервал. Основным недостатком метода, ограничивающим точность измерений временных интервалов, является конечная величина шага квантования шкалы времени, равная периоду T₀ следования импульсов опорного генератора. Минимальное значение периода следования импульсов определяется достижимым быстродействием счетчиков импульсов [1] Указанное ограничение преодолевается тем, что для интерполяции характеристики измерителя временных интервалов (ИВИ) внутри шага квантования грубой шкалы используются точные шкалы измерения. Обобщенная структура подобного интерполяционного ИВИ [1] приведена на фиг. 1, а временные диаграммы, поясняющие ее работу, на фиг. 2.

На вход ИВИ подается импульс, длительность которого равна измеряемому временному интервалу (диагр. (а) на фиг. 2). Логическое устройство (ЛУ) из последовательности импульсов опорного генератора, формирующего грубую шкалу времени (диагр. (б)), выделяет серию счетных импульсов, ограниченную передним и задним фронтом входного импульса (диагр. (в)). Количество импульсов подсчитывается в блоке грубого измерения (БГИ). На выходе БГИ образуется, таким образом, код грубой шкалы K, равный числу счетных импульсов.

Логическое устройство осуществляет также формирование двух импульсов, длительности которых подлежат интерполяции в блоках точного измерения БТИ (диагр. (г) и (д) на фиг. 2). Длительность начального интерполяционного импульса равна сумме временного интервала ₁ от переднего фронта входного импульса до первого следующего за ним импульса опорного генератора и некоторого постоянного временного интервала ₀₁, а длительность конечного интерполяционного импульса равна сумме временного интервала ₂ от заднего фронта входного импульса до первого следующего за ним импульса опорного генератора и некоторого постоянного временного интервала ₀₂. Постоянные значения ₀₁ и ₀₂ служат для установления малых длительностей интерполяционных импульсов. Их влияние может быть учтено при вычислении результата измерения или скорректировано в БТИ.

Каждый из БТИ можно функционально разделить на две части: интерполятор, преобразующий длительности начального и конечного интерполяционных импульсов в другую физическую величину, и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выполняющий ее кодирование. Выходной величиной интерполятора может быть амплитуда импульса, длительность импульса, разность фаз колебаний и другие. Методы преобразования коротких временных интервалов известны и освещены в литературе [1, 2, 3] На выходах БТИ образуются коды соответствующие длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов ₁ и ₂ Вычислитель на основе выходных кодов блоков точного и грубого измерения выполняет расчет результата измерения: Погрешность вычисления определяется только разрядностью вычислений и может быть сделана сколь угодно малой. В связи с этим допустимо считать вычислитель блоком, не относящимся к ИВИ, а выходными сигналами ИВИ считать выходные коды блоков грубого и точного измерения (фиг. 1). Тогда результат измерения определяется обработкой выходных кодов ИВИ по заданному алгоритму. Алгоритм вычисления зависит от конкретного вида характеристик блоков точного измерения.

В прецизионных ИВИ АЦП выполняются с равномерным шагом квантования, а интерполяторы с высокой степенью линейности характеристик [3] В этом случае характеристики интерполяторов представляются в виде: y_i= a_i(_oi+_i)+b_i, i = 1,2 где a, b параметры "масштаба" и "сдвига"; индекс i 1 относится к величинам, характеризующим БТИ начального интерполяционного импульса, а индекс i 2 относится к величинам, характеризующим БТИ конечного интерполяционного импульса.

Из (1) видно, что без ограничения общности постоянные интервалы _oi можно считать равными нулю, включив их в аддитивную составляющую a_ioi параметра "сдвига". Аналогично можно учесть параметры характеристики АЦП и считать, что процесс аналого-цифрового преобразования сводится к делению выходной величины интерполятора на T₀ и взятию целой части от частного.

Поскольку начальный и конечный интерполяционные импульсы разделены во времени, то ИВИ может содержать один БТИ, общий для измерения длительностей как начального, так и конечного интерполяционных импульсов. Несмотря на известные достоинства такой структуры, имеется ряд причин [3] не позволяющих отказаться от симметричной структуры ИВИ с двумя БТИ.

На точность измерения интерполяционных ИВИ существенное влияние оказывает нестабильность параметров характеристик интерполяторов. Значительно снизить влияние нестабильности параметров на точность измерения позволяет предварительная калибровка интерполяторов.

Известен цифровой измеритель временных интервалов [4] реализующий способ калибровки, заключающийся в измерении временного интервала нулевой длительности. Однако такой способ имеет низкую точность калибровки (до единицы младшего разряда точной шкалы). Кроме того, он позволяет калибровать интерполяторы только по одному параметру характеристики.

Известен также преобразователь время-код [5] реализующий способ калибровки, который заключается в многократном измерении одного и того же эталонного интервала. Точность калибровки в данном случае зависит от точности поддержания эталонного интервала. Способ применим только к структуре с одним интерполятором.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ, реализованный измерителем временных интервалов [6] В соответствии с этим способом калибровка выполняется по набору эталонных импульсов, подаваемых на входы интерполяторов. При последующем измерении на основе данных, полученных в режиме калибровки, производится коррекция показаний измерителя.

Способ реализуется следующей последовательностью действий. В режиме калибровки формируется последовательность, состоящая из n эталонных импульсов длительностью t_m mT₀/j, где j 2, 3, Сформированная последовательность импульсов подается на входы интерполяторов. После преобразования в интерполяторах и кодирования на выходах БТИ образуются кодовые последовательности которые запоминаются.

В режиме измерений длительность входного импульса преобразуется в три кода: K код грубого измерения, код, соответствующий длительности начального интерполяционного импульса, код, соответствующий длительности конечного интерполяционного импульса. Для каждого из кодов выявляются две пары кодов такие, что На основе данных, полученных в режиме калибровки, вычисляются скорректированные значения длительностей начального и конечного интерполяционных импульсов:

Значение измеряемого временного интервала вычисляется по формуле:

Этому способу присущи следующие недостатки.

1. Точность калибровки зависит от точности формирования эталонных длительностей. Известные методы формирования временных интервалов либо сложны, либо не обеспечивают высокой точности. В частности, в прототипе используется цифровой синтезатор временных интервалов. Точность формирования интервалов цифровыми методами определяется точностью и стабильностью задержек сигналов в цифровых схемах.

2. Эталонные сигналы должны подаваться непосредственно на входы интерполяторов. Это приводит к необходимости коммутации сигналов между блоками ИВИ. Однако в цепях прохождения широкополосных интерполяционных импульсов коммутация крайне нежелательна из-за высокой чувствительности этих цепей к помехам и неоднородностям.

3. Кроме того, необходимость внутренней коммутации не позволяет реализовать способ измерения с использованием предварительной калибровки существующих приборов без измерения их внутренней структуры.

Заявляемое изобретение решает задачу создания способа измерения временных интервалов, характеризующегося одновременно высокой точностью и простотой реализации.

Сущность изобретения заключается в том, что значение измеряемого временного интервала вычисляется по формуле (1), где скорректированные значения начального и конечного интерполяционных импульсов определяются выражениями:

Здесь коды, соответствующие длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов;
оценки параметров характеристик интерполяторов, полученные в результате предварительной калибровки.

Калибровка заключается в следующем. На вход ИВИ подается тестовая последовательность из n импульсов со случайным периодом. Длительность импульсов тестовой последовательности произвольна. В результате измерения длительностей импульсов тестовой последовательности на выходах начального и конечного БТИ интерполяционного ИВИ образуются кодовые последовательности и Оценку параметра "масштаба" получают по формуле

минимальные и максимальные элементы последовательностей ,
n_Mi и n_Ni количества элементов последовательностей, имеющих соответственно минимальное и максимальное значения.

Оценку параметров "сдвига" получают по формуле:

или по формуле

Отличие заявляемого способа от реализованного прототипом заключается в том, что
калибровочная последовательность эталонных импульсов с произвольным периодом и длительностями, принимающими заданные значения из диапазона длительностей интерполяционных импульсов, заменяется тестовой последовательностью импульсов со случайным периодом и произвольными длительностями;
тестовая последовательность подается не на входы интерполяторов, а на входы ИВИ;
запоминаемым результатом калибровки являются не кодовые последовательности, соответствующие эталонным длительностям, а оценки параметров характеристик интерполяторов ;
скорректированные значения длительностей интерполяционных импульсов вычисляются на основе оценок параметров характеристик интерполяторов.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, реализующей способ, повышение точности и надежности ее функционирования, что достигается за счет существенного упрощения формирования тестовых сигналов, а также исключения внутренних коммутаций в ИВИ.

Поясним, каким образом отличительные признаки обеспечивают достижение технического результата. Использование тестовой последовательности импульсов со случайным периодом следования, подаваемой на вход ИВИ, приводит к тому, что длительность интерполяционных импульсов является случайной величиной с равномерным на интервале [0, T₀] распределением. На длительность импульсов тестовой последовательности ограничений не накладывается. Они могут быть известными, неизвестными и случайными.

На основе характеристик кодов, соответствующих интерполяционным импульсам, выполняется оценивание параметров характеристик интерполяторов. Тем самым осуществляется их калибровка. Точность калибровки определяется длиной тестовой последовательности.

В режиме измерений на основе оценок параметров характеристик интерполяторов, выполненных в режиме калибровки, производится коррекция кодов точного измерения.

Отметим, что полученные оценки параметров могут использоваться также для автоматической подстройки параметров интерполяторов. Регулирующее воздействие формируется из разностей номинальных значений параметров и их оценок.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерений путем предварительной калибровки, причем без изменений конструкции измерителя. Предварительная калибровка не требует эталонных прецизионных временных интервалов, а осуществляется последовательностью импульсов со случайным периодом и произвольной длительностью. Это позволяет использовать для калибровки последовательность импульсов измеряемой длительности при условии, что период их следования случаен. Режим калибровки и режим измерений отличаются при этом только алгоритмом обработки в вычислителе.

Предлагаемый способ без изменений применим к ИВИ с одним интерполятором, если в нем возможно разделение кодов, соответствующих длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов.

Одним из вариантов реализации предлагаемого способа является устройство, приведенное на фиг. 3. В его состав входят: генератор тестовой последовательности импульсов 1, интерполяционный ИВИ 3, управляемый коммутатор 2 и вычислитель 4.

Генератор тестовой последовательности импульсов является источником последовательности импульсов со случайным периодом следования.

Управляемый коммутатор (УК) служит для подключения к входу ИВИ генератора тестовой последовательности в режиме "Калибровка" и источника импульсов измеряемой длительности в режиме "Измерения".

Структура и особенности интерполяционного ИВИ были подробно описаны выше. При реализации способа может быть использован любой интерполяционный ИВИ, формирующий на выходе код грубого измерения, и коды, соответствующие начальному и конечному интерполяционным импульсам, например, из [2, 4, 6]
Вычислитель предназначен для задания необходимого алгоритма взаимодействия между блоками измерительной системы и выполнения вычислений. Он может быть реализован на основе микропроцессорной системы стандартной конфигурации.

Входным сигналом устройства является импульс измеряемой длительности. Сигнал "Сброс" служит для установки ИВИ в начальное состояние. Появление на выходе ИВИ кодов сопровождается сигналом "Готов".

Значения шага квантования грубого измерения T₀, являющегося параметром ИВИ, и объема выборки n используются при вычислении результата измерения и должны быть предварительно занесены в память вычислителя. Входными сигналами вычислителя служат код грубого измерения K и коды, соответствующие длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов а также сигнал "Готов", сигнализирующий о появлении кодов на выходе ИВИ. На выходе вычислителя формируется код оценки измеряемого временного интервала который является выходным сигналом устройства. Сигнал "Упр" является управляющим для УК. Вычислитель обеспечивает функционирование устройства в двух режимах "Калибровка" и "Измерение" в зависимости от значения внешнего задающего сигнала "Калибр/изм". Внешний задающий сигнал может отсутствовать. Тогда управляющая программа вычислителя должна обеспечивать заданную последовательность смены режимов.

Устройство работает под управлением алгоритма, представленного на фиг. 4.

В память вычислителя предварительно заносятся значения T₀ и n. Если внешним сигналом задан режим "Калибровка", то вычислитель устанавливает такое значение сигнала "Упр", что на вход ИВИ поступают импульсы от генератора тестовой последовательности. Вычислитель формирует сигнал "Сброс" и ожидает сигнал "Готов", а при его появлении записывает значения кодов и в память и увеличивает на единицу состояние счетчика объема выборки. Таким образом происходит накопление кодов, соответствующих измеренным длительностям импульсов тестовой последовательности. Цикл повторяется до момента равенства текущего объема выборки n_T заданному n. После этого происходит анализ массивов с целью выявления максимального и минимального элементов в каждом.

С этого момента устройство может переходить к режиму измерений.

В режиме "Измерения" вычислитель устанавливает такое значение сигнала "Упр", что на вход ИВИ поступают импульсы измеряемой длительности. Прием кодов происходит аналогично режиму калибровки. На основе запомненных оценок параметров характеристик интерполяторов i 1, 2, по формуле (2) происходит вычисление скорректированных значений длительностей интерполяционных импульсов и по формуле (1) оценка измеряемого временного интервала.

При жестких ограничениях на объем памяти вычислителя нахождение максимального и минимального элементов кодовых последовательностей может выполняться без накопления всей последовательности, а путем сравнения каждого элемента с максимальным и минимальным элементами предшествующей последовательности.

В ряде случаев последовательность входных импульсов измеряемой длительности имеет случайный период следования и калибровка может производиться без применения генератора тестовой последовательности импульсов. Тогда генератор тестовой последовательности и УК отсутствуют. Отпадает необходимость в формировании сигнала "Упр". В остальном структура измерительной системы и алгоритм ее функционирования остаются прежними.

Описанный алгоритм может быть реализован на языке ассемблера любого микропроцессора при использовании известных приемов программирования.

Источники информации
1. Григорьев В.А. Колюбин А.А. Логинов В.А. Электронные методы ядерно-физического эксперимента. Учеб. пособие для вузов./Под ред. В.А. Григорьева. М. Энергоатомиздат, 1988, с.336:ил.

2. Мелешко Е.А. Наносекундная электроника в экспериментальной физике. М. Энергоатомиздат, 1987, с.216:ил.

3. Данилевич В.В. Чернявский А.Ф. Временные измерения в физическом эксперименте. М. Энергоатомиздат,1984, с. 104:ил.

4. Авторское свидетельство СССР N966662, кл. G 04 F 10/04. Цифровой измеритель временных интервалов/С.В. Денбновецкий, С.М. Кокошкин, В.А. Святненко, Ю. Е. Соломенко, А.Н. Шкуро (СССР) N3261084/18-21; Заявл. 17.03.81. Опубл. 15.10.82. Бюл.38.

5. Авторское свидетельство СССР N1562893, кл. G 04 F 10/04. Преобразователь время-код/А. И. Климов, А.Г. Морозов (СССР) N4338667/24-21; заявл. 08.12.87. Опубл. 07.05.90. Бюл.17.

6. Авторское свидетельство СССР N1241185, кл.G 04 F 10/04. Измеритель временных интервалов /С.В. Денбновецкий, С.М. Кокошкин, Ю.Е. Соломко, А.Н. Шкуро, Л.А. Худякова (СССР) N3761435/24-21; заявл. 26.06.84. опубл.30.06.86. Бюл.24.

Формула изобретения

Способ измерения временных интервалов, заключающийся в том, что импульс, длительность которого равна измеряемому временному интервалу, преобразуют с помощью интерполяционного измерителя временных интервалов (ИВИ) в код грубого измерения и коды, соответствующие длительностям начального и конечного интерполяционных импульсов, а значение измеряемого временного интервала определяют по формуле

где К код грубого измерений;
T_о шаг квантования грубого измерения;
_1к - скорректированное значение длительности начального интерполяционного импульса;
_2к - скорректированное значение длительности конечного интерполяционного импульса,
а для определения скорректированных значений длительностей начального и конечного интерполяционных импульсов используют результаты предварительной калибровки, включающей формирование из тестовой импульсной последовательности двух интерполяционных кодовых последовательностей, элементы первой из которых соответствуют длительностям начальных интерполяционных импульсов, а элементы второй соответствуют длительностям конечных интерполяционных импульсов, отличающийся тем, что при калибровке тестовую последовательность подают на вход интерполяционного ИВИ, при этом период следования импульсов тестовой последовательности задают случайным, затем в каждой из обеих интерполяционных кодовых последовательностей определяют минимальное значение ее элементов и определяют количества элементов, имеющих упомянутые минимальное и максимальное значения, а корректировочные параметры являющиеся результатами предварительной калибровки, определяют в соответствии со следующими зависимостями


или

где i (1,2) - номер интерполяционной кодовой последовательности;
n количество импульсов тестовой последовательности;
N_i максимальное значение элементов i-й интерполяционной кодовой последовательности;
M_i минимальное значение элементов i-й интерполяционной кодовой последовательности;
n_Ni количество элементов i-й интерполяционной кодовой последовательности, имеющих максимальное значение;
n_Mi количество элементов i-й интерполяционной кодовой последовательности, имеющих минимальное значение,
а упомянутые скорректированные значения длительностей начального и конечного интерполяционных импульсов определяют по следующим соотношениям:


где код, соответствующий длительности начального интерполяционного импульса;
код, соответствующий длительности конечного интерполяционного импульса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4