Устройство для контроля частоты

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для допускового контроля частоты. Устройство содержит формирователь импульсов (1), счетчик (2), триггеры (3, 4, 5), одновибраторы на триггерах Шмитта (6, 7) и логический элемент 2И-НЕ (8). Технический результат: повышение точности контроля сигналов, который достигается сравнением длительностей импульсов одновибраторов с суммарной длительностью нескольких периодов входного сигнала, число которых определяется счетчиком. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для допускового контроля частоты.

Известно устройство для контроля частоты, содержащее формирователи импульсов, реверсивный счетчик, дешифратор и логические элементы [1].

В данном устройстве контроль частоты выполняется посредством цифрового измерения и сравнения длительностей соседних периодов входного сигнала с последующим выделением знака их разности. Недостатком устройства является узкий частотный диапазон, так как для точного цифрового измерения каждого периода входного сигнала необходимо устанавливать частоту тактовых (счетных) импульсов, подаваемых на реверсивный счетчик, в сотни - тысячи раз выше частоты входного сигнала. Вследствие этого даже при использовании быстродействующих логических элементов с частотой переключения порядка 100 МГц максимальная частота входного сигнала ограничивается на уровне сотен килогерц и значительно уменьшается при возрастании требований к точности контроля сигналов с малым отклонением частоты.

Например, если частота сигнала изменяется в диапазоне от 99,9 кГц до 100,1 кГц, то максимальная разность периодов сигнала с максимальной и минимальной частотой составляет 20 нс. Для цифрового измерения длительностей периодов и выделения их разности требуется подавать на вход реверсивного счетчика тактовую частоту более 100 МГц, так как погрешность дискретности при цифровом измерении каждого периода составляет около 10 нс.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для контроля частоты, содержащее одновибраторы, триггеры, времязадающие RC-цепи и логические элементы [2].

Однако это устройство не позволяет реализовать точный контроль частоты сигналов в высокочастотной области из-за ограниченного быстродействия логических элементов и нестабильности их динамических параметров. Например, изменение частоты входного сигнала от 1,000 МГц до 1,001 МГц, т.е. девиация частоты на 1 кГц, приводит к изменению длительности одного периода лишь на 1 нс, в то время как запаздывание быстродействующих цифровых микросхем (серий КР1554 или КР1533) составляет 3...15 нс и изменяется в температурном диапазоне на единицы наносекунд. Вследствие этого процесс контроля частоты сигналов, реализуемый в известном устройстве путем сравнения их периодов с образцовыми интервалами времени, задаваемыми схемами одновибраторов, в высокочастотной области (до единиц-десятков мегагерц) становится практически невозможным.

Технической задачей изобретения является расширение частотного диапазона и повышение точности сравнения высокочастотных сигналов.

Для этого в устройство для контроля частоты, содержащее первый и второй триггеры, выходы которых являются первым и вторым выходами устройства и подключены к входам логического элемента 2И-НЕ, выход которого является третьим выходом устройства, третий триггер и два последовательно соединенных одновибратора на основе времязадающих RC-цепей, резисторы которых зашунтированы диодами, а выходы одновибраторов подключены соответственно к D-входам первого и второго триггеров, дополнительно введены формирователь импульсов и счетчик. Вход устройства через формирователь импульсов подключен к C-входу третьего триггера и счетному входу счетчика, выход которого соединен с D-входом третьего триггера, а к выходу третьего триггера подключены объединенные C-входы первого и второго триггеров, вход сброса счетчика и вход первого одновибратора, причем в схеме каждого одновибратора применен триггер Шмитта с времязадающим резистором на входе и времязадающим конденсатором в цепи обратной связи.

Положительный эффект достигается за счет того, что в отличие от прототипа в предложенном устройстве с помощью формирователя импульсов и счетчика выделяется интервал времени, равный сумме нескольких периодов входного сигнала, который сравнивается по длительности с образцовыми импульсами одновибраторов. При этом значительно ослабляются требования к быстродействию применяемых логических элементов, задержка которых мало влияет на точность контроля частоты, а максимальная частота входного сигнала ограничена только предельной частотой переключения цифровых логических микросхем. Кроме того, включением времяэадающего конденсатора в цепь положительной обратной связи триггера Шмитта обеспечивается повышение точности формирования длительности образцовых импульсов и соответствующее увеличение точности контроля высокочастотных сигналов, особенно при девиации частоты.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 показаны временные диаграммы его работы.

Устройство содержит формирователь импульсов 1, счетчик 2, триггеры 3, 4, 5, одновибраторы на триггерах Шмитта 6, 7 и логический элемент 2И-НЕ 8.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал контролируемой частоты f_x поступает на формирователь импульсов 1, выполняющий функцию триггера Шмитта, и преобразуется в последовательность импульсов, скважность которых примерно равна двум. Счетчик 2 применен для деления частоты в N раз, поэтому на его выходе сигнал логической единицы появляется через N периодов входного сигнала после предварительной установки (возврата в исходное состояние) в конце каждого такта контроля. При появлении (N+1)-го импульса на выходе формирователя 1 срабатывает триггер 3, выходным сигналом которого производится предустановка (запись предварительной информации или установка нуля) счетчика 2. Одновременно выходным сигналом триггера 3 производится быстрый заряд до исходного состояния времязадающего конденсатора одновибратора 6 через открывающийся диод, шунтирующий времязадающий резистор, и стробируются триггеры 4 и 5. При этом выходным сигналом одновибратора 6 выполняется заряд до исходного состояния конденсатора второго одновибратора 7 через его времязадающий резистор и шунтирующий диод. При поступлении следующего импульса от формирователя 1 триггер 3 устанавливается в исходное состояние, и процесс повторяется.

Постоянную времени заряда конденсатора RC-цепи в одновибраторе на триггере Шмитта 6 устанавливают посредством регулировки времязадающего резистора таким образом, чтобы обеспечить срабатывание данного одновибратора на время T раньше момента срабатывания счетчика 2 при номинальной частоте f_вх=f_н входного сигнала: T₆= N/f_н-T. Постоянную времени RC-цепи второго одновибратора на триггере Шмитта 7 устанавливают равной T₇= 2T и тем самым обеспечивают срабатывание этого одновибратора с задержкой на время 2T относительно первого одновибратора 6. Вследствие этого триггеры 4, 5 в моменты их стробирования выходными импульсами триггера 3 устанавливаются в единичное логическое состояние при номинальной частоте входного сигнала (f_вх=f_н), и на выходе логического элемента 2И-НЕ 8 формируется нулевой уровень, указывающий на номинальное значение частоты. При повышении частоты входного сигнала (f_вх>f_н) нулевой логический уровень формируется на выходе триггера 4, а при уменьшении частоты (f_вх<f) нулевой логический сигнал появляется на выходе триггера 5 (фиг. 2).

Включением времязадающих емкостей в цепи положительной обратной связи триггеров Шмитта достигается их быстрый разряд в моменты срабатывания одновибраторов сигналов обратной связи и последующий быстрый заряд этих емкостей через шунтирующие диоды при срабатывании триггера 3.

Повышение точности формирования длительности образцовых импульсов при построении одновибраторов на триггерах Шмитта достигается, во-первых, за счет более стабильного уровня срабатывания триггеров Шмитта по сравнению с другими логическими элементами и, во-вторых, за счет снижения влияния флуктуаций питающего напряжения и ускорения процесса восстановления одновибраторов после срабатывания при охвате триггеров Шмитта цепями положительной обратной связи через времязадающие конденсаторы.

Расчет параметров устройства выполняют исходя из требуемой точности сравнения частот и динамических параметров микросхем. В частности, при допустимой погрешности контроля частоты f = f_вх-f_н и задержке срабатывания микросхем T_зд на T коэффициент деления счетчика определяется формулой N = Tf_н2/f. Например, при номинальной частоте входного сигнала f_н = 1 МГц и допустимой погрешности контроля f = 100 Гц разность периодов сравниваемых частот не превышает 0,1 нс. При реализации устройства контроля частоты на микросхемах серии КР1533 среднее время задержки срабатывания составляет Т_зд = 10 нс, то есть сравнение таких частот в прототипе становится невозможным. В предложенном устройстве за счет применения дополнительно введенного счетчика с коэффициентом деления N = 100 разность длительностей 100 периодов входного сигнала с частотой 1 МГц и частотой 1,0001 МГц составляет не менее 10 нс, что позволяет реализовать контроль данной частоты. Двукратное повышение точности контроля при указанных значениях частоты можно обеспечить выполнением условия T = 2T_зд, устанавливая коэффициент деления счетчика равным N = 200 и задавая время срабатывания первого Т₆ и второго Т₇ одовибраторов по соотношениям: T₆= N/f_н-T = 199,8 мкс; T₇= 2T = 0,2 мкс.

В этом случае длительность одного цикла контроля составляет 201 мкс с учетом такта срабатывания триггера 3 и возврата устройства в исходное состояние за один период входного сигнала.

Предложенное устройство можно реалиэовать на микросхемах серий К1561, КР1554 и КР1533: формирователь импульсов и одновибраторы - на триггере Шмитта типа К1561ТЛ1 или КР1533ТЛ2, счетчик - на микросхемах К1561ИЕ11 или КР155ИЕ23, триггеры - на микросхемах К1554ТМ2 или КР1533ТМ2, КР1554ТМ2. Во времязадающих цепях одновибраторов можно применить резисторы типа СП5-2, конденсаторы К73-11 и диоды типа КД522В.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает высокую точность контроля сигналов в широком диапазоне рабочих частот, в том числе при сравнения высокочастотных сигналов с малой девиацией частоты.

Источники информации 1. Лебедев О. В. Устройство для контроля частоты. Патент РФ N 2007732, МКИ G 01 R 23/15, 15.02.94 г. Бюл. N 3.

2. Лебедев О. В. Устройство для контроля частоты. Патент РФ N 2007731, МКИ G 01 R 23/00, 15.02.94, Бюл. N 3.

Формула изобретения

Устройство для контроля частоты, содержащее первый и второй триггеры, выходы которых являются первым и вторым выходами устройства и подключены к входам логического элемента 2И-НЕ, выход которого является третьим выходом устройства, третий триггер и два последовательно соединенных одновибратора, содержащих времязадающие RC-цепи, резисторы которых зашунтированы диодами, причем выходы одновибраторов подключены соответственно к D-входам первого и второго триггеров, отличающееся тем, что в него введены формирователь импульсов и счетчик, причем вход устройства через формирователь импульсов подключен к С-входу третьего триггера и счетному входу счетчика, выход которого соединен с D-входом третьего триггера, к выходу которого подключены С-входы первого и второго триггеров, вход предустановки счетчика и вход первого одновибратора, а в каждом одновибраторе применен триггер Шмитта с времязадающим резистором на входе и времязадающим конденсатором в цепи обратной связи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2