Цифровой фазометр-частотомер
Изобретение может быть использовано при создании комбинированных измерительных приборов и функциональных преобразователей. Цель изобретения - расширение функ13;иональных возможностей устройства. Цифровой частотомер содержит накапливающий сумматор 1, включающий 2 и регистр 3, а также сумматор 8, регистры 10 и 15 и генератор 11 тактовой частоты. Введение накапливающего сумматора 4, состоящего из сумматора 5 и регистра 6, блока 7 инверторов, формирователя 9, элемента 12 запрета и триггеров 13 и 14 с образованием новых связей между элементами устройства позволяет последнему измерять одновременно фазу, частоту и скорость изменения частоты сигнала. Это позволяет в системах, где информационный параметр содержится в фазе периодического сигнала, измерять одноС 3 временно значения самого параметра и его первых двух производных. 3 ил.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (Я) 4 G 01 R 25/00 23/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
KF("", " Н. 9
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ll3 д
Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3853131/24-21 (22) 06.02.85 (46)1 23. 10.86. Бюл. У 39 (72) Б.А. Кудряшов (53) 621.317.77(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
К 658496, кл. G 01 R 25/00, 1979.
Авторское свидетельство СССР
Ф 110057Д кл. С 01 R 23/00, 1982.
i(54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР- ЧАСТОТОМЕР (57) Изобретение може быть использовано при создании комбинированных измерительных приборов и функциональных преобразователей. Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей устройства. Цифровой частотомер содержит накапливающий
„„SU„„1265644 А 1 сумматор 1, включающий сумматор 2 и регистр 3, а также сумматор 8, регистры 10 и 15 и генератор 11 тактовой частоты. Введение накапливающего сумматора 4, состоящего из сумматора
5 и регистра 6, блока 7 инверторов, формирователя 9, элемента 12 эапрета и триггеров 13 и 14 с образованием новых связей между элементами устройства позволяет последнему измерять одновременно фазу, частоту и скорость изменения частоты сигнала. Это позволяет в системах, где информационный параметр содержится в фазе периодического сигнала, измерять одновременно значения самого параметра и его первых двух производных. 3 ил.
1265644
40
50
Изобретение относится к информационно-преобразовательной и измерительной технике и может быть использовано при создании комбинированных измерительных приборов и функциональных преобразователей для одновременного измерения частоты, сдвига фазы и скорости измерения частоты периодических сигналов.
Цель изобретения — расширение 10 функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности измерения изменений по частоте и фазе.
На фиг. 1 приведена функцио-, 15 нальная схема предлагаемого цифрового,фазометра-частотомера; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу в установившемся режиме; на фиг. 3 — то же, в пере- 20 ходном режиме.
Цифровой фазометр-частотомер содержит накапливающий сумматор (НС) 1, в состав которого входят замкнутые в кольцо сумматор 2 и регистр 3, НС 4, в состав которого входят замкнутые в кольцо сумматор 5 и регистр 6, блок .7 инверторов, сумматор 8, формирователь 9, регистр 10, генератор 11 тактовой частоты, эле- 50 мент 12 запрета, триггеры 13 и 14 и регистр 15.
При этом соединены в кольцо НС и 4, блок 7 инверторов и сумматор 8, второй вход которого подключен к тине константы N,,информационные входы триггеров 13 и 14 подключейы к источникам измеряемого U и опорного
U сигналов соответственно, выход триггера 13 подключен к входам .синхронизации регистра 15 и НС 1 непосредственно, а к входу установки НС 4— через формирователь 9. Выход сумматора 8 подключен к информационному входу регистра 15, а выход триггера t4 — к входу синхронизации регистра
10, информационный вход которого подключен к выходу НС 4. Кроме того, выход генератора 11 подключен к входам синхронизации триггеров 13 и 14 непосредственно, а к НС 4 †. через элемент 12 запрета, запрещающий вход которого подключен к выходу переноса
Р НС 4, причем выход. регистра 10 есть выход устройства по фазе N, выход НС 1 — по частоте N, а выход регистра 15 — по скорости изменения частоты N .
Накапливающий сумматор 1 содержит замкнутые в кольцо комбинационнный двоичный сумматор 2 и регистр 3 с параллельной записью информации по переднему фронту импульса на входе синхронизации, разрядность которых и представляет собой цифровой интегратор, работающий по тактовым импульсам на входе синхронизации.
Он описывается разностным уравнением
Yfn+fJ = У (n) + Xfn), (1) где Х Я вЂ” информация на входе НС в момент. поступления (И+1)— го импульса на вход синхронизации;
YPnj — информация на выходе НС до момента поступления (1 +1)-го импульса;
Y Pn+1) — информация на выходе НС после поступления (+1) -ro импульса.
Накапливающий сумматор 4 выполнен аналогично НС 1. Отличие состоит в том, что используются вход установки
R регистра 6, при подаче на который логической единицы регистр 6 обнуляется, и выход переноса Р старшего разряда сумматора 5, разрядность НС 4 равна К > q причем выхеднок q-разрядный код НС 1 поступает на вход младших разрядов НС 4. На (К-q) старших разрядов НС 4 подается нулевой код.
Таким образом, НС 4 .работает только с прямым кодом положительных чисел (в режиме суммирования).
Блок 7 инверторов и комбинационный двоичный сумматор 8 реализуют вычитание выходного кода N НС 4 иэ кода константы N .
8 (2) Выходной код ЬИ сумматора 8 дополнительный двоичный m-разрядный.
Для вычитания используютсй шстарших разрядов НС 4, причем m 4И. НС 1 работает с дополнительным входным кодом (в режиме суммирования .и вычитания). Выходной код НС 1 ислользуется как прямой код положительных чисел, т.е. если в НС 1 результат окажется отрицательным, то перенос, возникающий при этом в сумматоре 2, не учитувается, а выходной код N< 3 1265644 используется как прямой (без знака) код положительного числа. За счет сдвига разрядов между НС 4, сумматором 8 и. НС 1 реализуется коэффициент передачи К = 2 5 Формирователь 9 импульсов предназначен для получения узких положительных импульсов в момент поступления переднего фронта измеряемого сигнала U . Длительность импульса должна быть1О . достаточной для установки регистра 6 в нулевое состояние. Регистры 10 и 15 выполнены аналогично регистру 3, имеют число разрядов, равное r. 15 Генератор 11 тактовой частоты формирует последовательность импульсов стабильной частоты f Элемент 12 запрета пропускает на свой выход импульсы генератора 11 еслй сигнал переноса НС 4 отсутствует (P» =О). Если на выходе НС 4 возник сигнал переноса (Р„=1), то импульсы через элемент 12 запрета не проходят. Фазометр-частотомер в установившемся режиме при измерении параметров сигнала U имеющего постоянную частоту f и фазовый сдвиг относительно опорного сигнала (фиг.2),30 работает следующим образом. Для установившегося режима (f = const) значение кода на выходе сумматора 8 в моменты прихода переднего фронта измеряемого сигнала aN (nJ = О. При этом код N на выходе НС 1 не изменяется. В момент прихода положительного фронта измеряемого сигнала на выходе формирователя 9 вырабатывается узкий 4О импульс, устанавливающий НС 4 в нулевое состояние (N = О). По мере поступления на вход синхронизации НС 4 импульсной последовательности с частотой f на его выхо-. 4> о де формируется линейно нарастающий код, который в соответствии с раэностным уравнением (1) можно записать в а виде (5) (6) NT=Nk f Tx К . (7) о Нт ОТ» Таким образом, выходной код НС 1 в установившемся режиме прямо пропорционален частоте измеряемого сиг20 нала. В момент прихода на вход синхронизации регистра 10 через триггер 14 переднего фронта опорного сигнала U, на вход НС 4 проходит число импульсов, прямо пропорциональное временноьг сдвигу „ между сигналами H U (8) пч fоб» у » а (9) <» Нт N =N Ч г Т» 21 Нт 360 q (рад)= n< = fo Txy (4) N = Ng ° и, (3) 50 К моменту прихода следующего положительного фронта сигнала на вход НС 4 пройдет число импульсов, прямо пропорциональное частоте f u а периоду Т> измеряемого сигнала а на его выходе будет код Cn) = Nf fo Tx. Поскольку в установившемся режиме hN (n) = О, то иэ формулы (2) следует, что Учитывая, что частота сигнала обратно пропорциональна периоду, иэ формулы (6) найдем код на выходе НС 4 в этот момент равен Это значение кода заносится в регистр 10. Подставляя в выражение (9) значение Ny иэ равенства (7), получим (10) Таким образом, в установившемся,ре жиме выходной код регистра 10 прямо пропорционален фазовому сдвигу между измеряемым и опорным сигналами . В регистр 15 в момент прихода переднего фронта сигнала записывается код Ng = bN jnJ = О. Фазометр-частотомер с точки зрения теории автоматического регулиро. вания представляет собой цифровую ,следящую систему, период квантования по времени в которой равен периоду измеряемого сигнала. Устойчивость ,такой системы можно проанализировать 5 12 по передаточной функции разомкнутой линеаризованной системы (без учета квантования по уровню),НС 1 в системе выполняет роль цифрового интегра.тора, его передаточная функция может быть найдена применением Z-преобразования к разностному уравнению (1) V<,(Z) К-1 где Z — оператор. Z — - преобразования. НС 4 обнуляется на каждом периоде измеряемого сигнала, а информация с его выхода для сравнения с константой N снимается лишь в конец перит ода, то в системе он эквивалентен усилительному звену с передаточной функцией, определяемой из равенства (6), (12) 6 >644 Ь неверны. Исключение возможности возникновения такого режима достигается включением в цепь тактовых импульсов элемента 12 запрета. При появлении на выходе сумматора > сигнала переноса Р = 1 прохождение тактовых импульсов на вход синхронизации регистра 6 запрещается и на выходе НС 4 фиксируется максимальное значе10 ние кода N. Рассмотрим работу устройства в переходном режиме (фиг. 3). При отсутствии измеряемого сигна ла в НС 1 хранится некоторое значе15 ние кода частоты N (0/, вследствие чего НС 4 находится в насыщении и в нем хранится код N = N„ „ . После прихода переднего фронта первого импульса измеряемого сигнала в НС 1 20 записывается код Блок инверторов 7 и сумматор 8 выполняют роль элемента сравнения с )))-к коэффициентом передачи К = 2 обусловленным сдвигом разрядов. Передаточную функцию разомкнутой системы находят из выражений (11) и (12) 25 Система является устойчивой, если модули корней характеристического уравнения 1 + M (Z) = О (14) меньше 1. В нашем случае это условие из формулы (13) и (14) запишется в 40 виде неравенства f ° Т„ 2 . 2. Очевидно, что это соотношение мож- ,45 но всегда выполнить соответствующим сдвигом разрядной сетки, т.е. выбором числа разрядов m и к,и соответствующим выбором частоты f . Неравенст-. во (15) должно проверяться для нижней частоты диапазона измерений. Анализ показывает, что устойчивый . установившийся режим мог бы возникнуть при работе НС 4 с периодом, кратным периоду измеряемого сигнала (за счет переполнения НС 4). При этом результаты измерения были бы.. У„.2 30 w(z).=w,(z) w (z> к, - - -" — ; —. ()ç> :5g (1j =Ng (0j + N (0j =N (ОУ (N)((с Nq) Причем возможны два случая: если N (0j l N 01 (, тогда значение .кода N уменьшается (сплошная линия, фйг. 3); если N< (0) < I 6И $0)(, тогда значение кода N g увеличивается (штриховая линия, фиг. 3), так как при этом N (1) i(), но с учетом отбрасывания переноса в сумматоре 2 величина Ng (1) = 2 — (дИ JOAN + N) j0) ) .. - На выходе НС 4 формируется линейно нарастающий код N крутизна которого пропорциональна N При малой частоте измеряемого сигнала НС 4 входит в насыщение.. На следующем такте величина И( уменьшается, а вместе с ней уменьшается крутизна линейно нарастающего кода N. Через несколько тактов система входит в линейную зону. Значение Нк приближается к установившемуся значению. Признаком установившегося режима служит равенство нулю выходного кода сумматора 8 кМ (и) = О, оно является признаком достоверности результатов измерения, Пример. Пусть К = 22, m = 11; 2048 Рц Н 1024 2047 2 ; N (0)= 3600. Расчет проводят с помощью разностного уравнения, которое для НС 1 можно записать в виде N (и+1) = Б Я+ hN (и), (16) Ь и уравнений (2) и (5), учитывая, что М()кс 1265644 I Для случая Т„ =- 1 с можно -.-.аписать ((. )= 2047 ° 2 (1)= 2047 2 (2) = 1554 2 (3) = 1024 2 N (О) = 3600 И (1) = 2577 Б (2) = 1554 N (31 = 1024 Л (0) = — 1023 d N (1) = — 1023 dN (2)= — 530 ьн P)= 0 Н N Для случая Т„ = 0 5 с можно записать 2047 2 dN (О)= — 1023 1288,5 ? nN (1J = — 264,5 1156,25 2 дН (2) = — 132,25 N,(O) = 3600 Ы (0(= 1Ч j1) = 2577 N (1)= И Я = 2312,5 N (2)= ° ° ° ° ° И (10) = 2049,03 N (10)=1024,52 2 d N )10) = — 0,517 Для случая Т„= 1,5 с можно записать 2047 2 2047 2 2047 2 796 - 2 1138 2 967 2 aN ГО)= — 1023 d N (1) = — 1023 ь Н (2J = — 1023 40 (31 = 228 d N (4) = — 114 6И (5) = 57 N (01 = 3600 N (11 = 2577 N((2) = 1554 N< (31 = 531 N< (4 = 759 N (5) = 645 ы (о = N (1J= Б (2j= N j3)= N (4) = N (5) = 1024, .5 ° 2 dN (12)= — 0,45 ° ° N (12)-° ° И (12) = 682,97 ° ° (17) f„(n+1 J = f„(и) + d f„, (18) На фиг. 3 представлен переходный процесс для Т„ = 1,5 с. Таким образом, минимальное время 35 переходного процесса получено для случая Т„ = 1 с, при этом Соотношение (17) является оптимальным с точки зрения быстродействия. Отклонение в ту или другую сторону от него увеличивает время переходного . процесса. Для оптимального соотноше45 ния (Т » = 1 с) переходный процесс в предлагаемом примере заканчивается за три периода измеряемого сигнала. Для случая Т = 0,5 с процесс монотонный, динамическая ошибка через десять периодов составляет около 0,057 и уменьшается вдвое в каждый последующий период. Для случая Т» = 1,5 с переходный процесс колебательный, модуль динамической ошибки через двенадцать периодов не пре вышает 0,05 7 и уменьшается вдвое в каждый последующий период. В установившемся режиме ошибка измерения частоты и фазы для предла. аемого примера составляет 0,1 Ж для Т„ = 1 с и определяется дискретностью квантования по уровню (числом разрядов m и к) для частоты и по времени (частотой f ) для фазы. Рассмотрим работу фазометра-частотомера в установившемся режиме, когда частота измеряемого сигнала изменяется по закону где Й„ (и) — среднее значение частоты в и-и периоде; dfs — приращение частоты за один период, ь f» « f>. Поскольку фазометр-частотомер по частоте f представляет собой ас- Х татическую систему первого порядка, то сигнал ошибки dN (и) такой системы пропорционален скорости изменения частоты 4Е . Это следует . также и из того, что dN (и входная величина. НС 1, представляющего 9 1 собой цифровой интегратор, а его выходная величина N пропорциональна частоте f Следовательно, величина AN Я есть производная N, т.е. частоты f Предположим, что в установившемся режиме AN (n$ = const, тогда иэ формулы (16) слеДует, что N fn + 1) N< fn) + AN fnj, (19) 1 а из формулы (5) N(n+1J f (Т„(п) + Т11) (N< (nJ + 60 fn) ), (20) 26)644 10 15 ращению частоты измеряемого сигнала за один период, т.е. скорости изменения частоты. Это значение когда N г = AN pllj в момент прихода перед— него фронта сигнала U„заносится в регистр 15. Таким образом предлагаемое устройство позволяет измерять одновременно фазу, частоту и скорость изменения частоты сигнала. Это позволяет в системах, где информационный параметр содержится в фазе периодического сигнала, измерять одновременно значения самого параметра и его первых двух производных. Формула изобретения где (2и (и.> 2 (п (>Т 4п Т)(gn+1) Т 1п) Иэ выражения (2) и (20). следует, что AN М= т <(, (К + ° 42„> (>),(п +4М (п))3. (2() Аналогично выражению (21), полу- 30 ченному для (и+1)-го периода, для n-ro периода 4п (ng 2 (>> -К 2 (n3 Ы((и)) <22> T„fn)aN Я + Т„ N Я + Т„gN 1п = О. (23) Третьим слагаемым в выражении (23) ЬТ,< AN (n), как величиной высшего порядка малости по сравнению с двумя другими слагаемыми, можно принебречь,№5 тогда 4>> (и("-- — 4 "П((п). (24) Т„1 п С точностью, определяемой динамической ошибкой, код N )nJ можно най-. ти из равенства (7), подставляя его и значения A7„ и Т„ (ncaa выражение (24), получим 1,N (и) — — gf„. Й fo Следовательно код 1I>N jn) на выходе сумматора 8 пропорционален при Приравнивая правые части выраже- З5, ний (21) и (22), получим Цифровой фазометр-частотомер, содержащий генератор тактовой частоты, первый накапливающий сумматор, два регистра сдвига, сумматор, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены второй накапливающий сумматор, два D-триггера, блок инверторов, элемент запрета и формирователь, при этом выход тактового генератора соединен с тактовыми входами первого и второго D-триггеров и прямым входом элемента запрета, выход первого D-триггера соединен с входом первого накапливающего сумматора, с входом формирователя и тактовым входом первого регистра сдвига, информационные входы которого соответственно соединены с выходами сумматора и соответствующими входами первого накапливающего сумматора, выход второго D-триггера соединен с тактовым входом второго регистра сдвига, выходы которого являются фазовым выходом фазометра-частотом(ра, информационные входы второго регистра сдвига соединены с соответствующими выходами второго накапливающего сумматора и через блок инверторов — с первыми входами сумматора, вторые входы которого соединены с шиной кода константы N, информационные входы первого и второго Этриггеров являются входами соответственно измеряемого и опорного сигналов, выходы первого накапливающего сумматора соединены с входами второго накапливающего сумматора и являются частотным выходом фаэометрачастотомера, выход формирователя соединен с входом "Сброс" второго на11 1 капливающего сумматора, выход переноса которого соединен с инверсным входом элемента запрета, выход которого соединен с тактовым входом втоСоставитель В. Шубин Техред И.Ходанич . Редактор Н. Гунько Корректор М. Самборская Заказ 5657/40 Тираж 728 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ы.У Ряу"и роаате Му 265644 12 рого накапливающего сумматора, а выходы первого регистра являются выходом фазометра-частотомера по изменению скорости частоты.
