Цифровой измеритель частоты

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в частотных системах измерения и автоматического регулирования. Целью изобретения является повьппение точности измерения. Устройство содержит формирователь интервала измерения 1, генератор 2 образцовых частот, счетчики 3,4, сумматор 5, блок индикации 6, элемент задержки 7, триггер 8, ключ 9, регистр 10. Введение D-триггера 11, счетчика 12, двухвходового элемента И 13, образование новых функциональных связей позволило достичь поставленную цель. По сравнению с прототипом максимальная погрешность данного цифрового измерителя частоты уменьшается sJN раз (N - количество циклов преобразования ) . 2 ил. & (Л ю со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

А1

„„SU„» 12 019 (51) 4 С 01 R 23/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

И АBTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3638478/24-21 (22) 02.09.83 (46) 15.02.87. Бюл. ¹ 6 (72) Ю.С.Антипов, В.А.Астапов, В.Г.Леонов и Н.Н.Родионова (53) 621. 317(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 437021, кл. G 01 R 23/10, 1969.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1095089, кл. G 01 R 23/00, 1984 (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольэовано в частотных системах измерения и автоматического регулирования, Целью изобретения является повышение точности измерения. Устройство содержит формирователь интервала измерения 1, генератор 2 образцовых частот, счетчики 3,4, сумматор 5, блок индикации 6, элемент задержки 7, триггер 8, ключ 9, регистр 10. Введение D-триггера 11, счетчика 12, двухвходового элемента И 13, образование новых функциональных связей позволило достичь поставленную цель.

По сравнению с прототипом максимальная погрешность данного цифрового измерителя частоты уменьшается в Ж раэ (N — количество циклов преобразования). 2 ил.

1290190

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может быть использовано в частотных системах измерения и автоматического регулирования, в частности для измерения оборотов, давлений, расходов и др.

Цель изобретения-- повышение точности измерения.

На фиг.1 представлена функциональная схема измерителя; на фиг.2 -прин- 10 цип цифрового измерения интервала времени.

Измеритель состоит из формирователя 1 интервала измерения, генератора 2 образцовых частот, первого счетчика 3, второго счетчика 4, сумматора 5, блока 6 индикации, элемента 7 задержки, триггера 8, ключа 9, регистра 10, D-триггера 11, третьего счетчика 12, двухвходового элемен- 20 та И 13.

Первый вход измерителя являетсм входом устройства, генератор 2 образцовых частот, первый счетчик 3, 25 второй счетчик 4, сумматор 5, блок 6 индикации, элемент 7 задержки, триггер 8,ключ 9, регистр 10, информационные входы которого соединены с разрядными выходами первого счетчика 3, 30 а выходы — с информационными входами сумматора 5, выход переполнения которого соединен с входом элемента 7 задержки, первый выход которого соединен с входом предустановки суммато- 35 ра 5, входом установки нуля второго счетчика 4 и первым входом триггера 8, а второй выход — с вторым входом триггера 8 и входом записи данных блока 6 индикации, информацион- 40 ные входы которого соединены с разрядными выходами второго счетчика 4, счетный вход которого соединен с входом управления суммированием сумматора 5 и выходом ключа 9, управляющий 45 вход которого соединен с выходом триггера 8, а вход — с первым выходом генератора 2 образцовых частот, а так. же П-триггер 11, третий счетчик 12 и двухвходовой элемент И 13, выход 50 которого соединен со счетным входом первого счетчика 3, первый вход — с инверсным выходом D-триггера 11 и входом установки в "0" третьего счетчика. 12, а второй вход — со счетным 55 входом третьего счетчика 12 и вторым выходом генератора 2 образцовых частот, третий выход которого соединен со счетным входом D- pfrrrepa 11, информационный вход котброго соединен с выходом формирователя 1 интервала измерения, второй вход которого соединен с входом начальной установки первого счетчика 3 и первым выходом третьего счетчика 12, второй выход которого соединен с входом управления переписью регистра 10.

Цифровой измеритель частоты можно условно разбить на два функциональных устройства: устройство преобразования периода измеряемой частоты в двоичный код, пропорциональный периоду, и устройство преобразования кода, пропорционального периоду, в код, пропорциональный измеряемой частоте.

Устройство преобразования периода измеряемой частоты в двоичный код, пропорциональный периоду, включает формирователь t интервала измерения, D-триггер 11, основной счетчик 3 импульсов образцовой частоты, дополнительный двухразрядный счетчик 12 импульсов образцовой частоты, двухвходовой элемент И 13, регистр 10 хранения кода, пропорционального периоду, второй и третий выходы генератора 2 образцовых частот.

Устрбйство преобразования кода, пропорционального периоду, в код, пропорциональный измеряемой частоте, включает двоичный накапливающий сумматор 5, элемент 7 задержки, счетчик 4 импульсов образцовой частоты, блок 6 индикации, триггер 8, ключ 9 и первый выход генератора 2 образцовых частот.

Устройство преобразования периода измеряемой частоты в двончный код, пропорциональный периоду, работает следующим образом. После того, как счетчик формирователя интервала измерения 1 сосчитает К импульсов измеряемого сигнала, на выходе формирователя 1 появится сигнал "1", который поступает на информационный вход

D-триггера 11 и с приходом переднего фронта образцовой частоты (переход из "0" в " 1"), поступающего с третьего выхода генератора 2 образцовых час- тот, вызовет появление сигнала "0" на инверсном выходе D-триггера 11, запрещающего обнуление счетчика и разрешающего ему счет передних фронтов импульсов, поступающих с второго выхода генератора 2 образцовых частот на счетный вход счетчика 12, и запрещающего прохождение через элемент

129019

И 13 на счетный вход счетчика 3, в котором зафиксирован код, пропорциональный К периодам измеряемой частоты, полученный в предыдущем измерении (сигналы на втором и третьем выходах генератора 2 образцовых частот находятся строго в противофазе). По переднему фронту первого импульса, поступающего на счетный вход счетчика 12, на выходе первого разряда 10 счетчика 12 появляется передний фронт, поступающий на вход управления переписью регистра 10, по которому содержимое счетчика 3 переписывается в регистр 10, являющийся регистром хране- 15 ния с занесением информации по переднему фронту. По переднему фронту второго импульса, поступающего на счетный вход счетчика 12, на выходе второго разряда счетчика 12 появляет-20 ся сигнал "1", который поступает на второй вход формирователя 1 интервала измерения, обнуляет счетчик формирователя 1 и вызывает появление на выходе формирователя 1 сигнала "0", 25 кроме того, сигнал "1" с выхода второго разряда счетчика 12 поступает на вход начальной установки счетчика 3 и записывает в счетчик 3 в двоичном коде число импульсов, сосчи- 30 танное дополнительным счетчиком 12, т.е. 2. Сигнал "0" на выходе второго разряда счетчика 12 появится после того, как на счетный вход D-триггера придет первый после появления сиг- 35 нала "0" на выходе формирователя 1ин тервала измерения передний фронт импульса с третьего выхода генератора 2 образцовых частот и переключит Э-триггер 11, 40 на инверсном выходе D-триггера 11 появится сигнал "1", который обнулит счетчик 12 и разрешит прохождение импульсов с второго выхода генератора 2 образцовых частот через зле- 45 мент И 13 на счетный вход счетчика 3.

Далее счетчик 3 считает поступающие на его счетный вход передние фронты импульсов до тех пор, пока счетчиком формирователя 1 интервала изме-50 рения не будет сосчитано К импульсов измеряемой частоты, после чего на выходе формирователя 1 интервала измерения появится сигнал "1", который с приходом на счетный вход Р-триггера 11 переднего фронта импульса с третьего выхода генератора 2 образцовых частот вызовет появление на инверсном выходе D-триггера 11 сигнала "0", который будет запрещать прохождение через элемент И 13 импульсов с второго выхода генератора 2 образцовых частот на счетный вход счетчика 3 и разрешать их счет счетчику 12. Далее новый код, пропорциональный К периодам измеряемой частоты, переписывается из счетчика 3 в регистр 10 хранения кода, и цикл преобразования повторяется.

Для того, чтобы конец одного интервала измерения с„ являлся началом следующего интервала измерения t х передние фронты импульсов с второго выхода генератора 2 образцовых частот во время перезаписи кода иэ счетчика 3 в регистр 10 считаются счетчиком 12 с последующей перезаписью его содержимого в соответствующие разряды счетчика 3 и одновременным обнулением всех остальных разрядов счетчика 3.

В конкретном случае на время перезаписи отводится два периода образцовой частоты f, с второго выхода генератора 2 образцовых частот. Счетчик 12 считает до состояния "10

2 после чего счетчик 3 устанавливается в состояние "00... 10 ", и разрешается прохождение импульсов с второго выхода генератора 2 образцовых частот на счетный вход счетчика 3 через элемент И 13.

Длительность цикла преобразования

К периодов измеряемой частоты в код, пропорциональный К периодам, равна

К периодам, измеряемой частоты. Цикл преобразования можно представить

К как временной интервал t = †вЂ, в х течение которого счетчик 3 подсчитывает число передних фронтов импульсов образцовой частоты с второго выхода высокостабильного генератора 2 образцовых частот, поступающих с периодом Т, на счетный вход счетчика 3 через элемент И 13, при этом код, содержащийся в счетчике 3 на момент его переписи в регистр 10, оказывается равным числу задних фронтов импульсов образцовой частоты f„, содержащихся в интервале измерения t и бу" дет определять период измеряемой частоты

На фиг.2 приняты обозначения:

t „ — измеряемый интервал времени,равный длительности К периодов измеряемой частоты f„,Т вЂ” время между нача5 1290 лом временного интервала t „ и задним фронтом первого в этом интервале импульса образцовой частоты

Э

Т, — период образцовой частоты f,;

С вЂ” число импульсов, сосчитанных счетчиком 3 за время t „.

На фиг.2 выделен интервал с, в течение которого основной счетчик 3 и дополнительный счетчик 12 поочередно подсчитывают передние фронты импульсов с второго выхода генератора 2 образцовых частот в данном цикле преобразования периода измеряемой частоты в код.

Как видно из фиг.2, число передних фронтов импульсов образцовой частоты Е в интервале t равно числу задних фронтов этих импульсов в интервале t и.может быть записано в виде

C=INT (- — -- — J+1

t_#_ — т

Ф (1)! где INT — целая часть числа, заключенного в скобки.

Длительность интервала времени х .может быть записана в виде:

К вЂ” — — = пТ + T =(n+ cC)T (2)

Л f 1 1 х где п — целое число, — действительное число, причем 0 6с 1, Устройство преобразования кода, пропорционального пяти периодам, в код, пропорциональный частоте, работает следующим образом. Перед началом цикла счетчик 4 обнулен, в двоичном накапливающем сумматоре 5 записано число предварительной установки сумматора, равное М. С момента открытия ключа 9 импульсы образцовой частоты

f с первого выхода генератора 2 об2 разцовых частот через ключ 9 поступают на счетный вход счетчика 4 и вход управления суммированием двоичного накапливающего сумматора 5.

По каждому импульсу образцовой частбты t сумматор 5 прибавляет к сво2 ему содержимому содержимое регистра 10 хранения кода, пропорционального К периодам измеряемой частоты

Е . Одновременно содержимое счетчика 4 увеличивается на единицу. Для исключения сбоев фронты импульсов, по которым происходит суммирование, и фронты импульсов, по которым происходит перепись кода из счетчика 3

45 где

К„ измеряемая частота; коэффициент пропорциональности между измеряемой частотой и кодом, пропорциональным этой частоте, период образцовой частоты f

Из выражений (2) и (3) следует, I

55 что для измеряемых частот, удовлетворяющих усл о вию

Е > ---- -, (4)

К„

190 6 в регистр 10, разнесены во времени. Цикл работы устройства преобразования кода, пропорционального К периодам, к вод, пропорциональный измеряемой частоте, заканчивается, как только переполнится двоичный накапливающий сумматор 5. Импульс с выхода переполнения сумматора 5 задерживается элементом 7 задержки на

1Р время, достаточное для окончания переходного процесса в счетчике 4 от последнего счетного импульса на входе счетчика 4 и с второго выхода элемента задержки поступает на

15 вход блока 6 индикации, в результате чего содержимое счетчика 4 переписывается в блок 6 индикации. Одновременно этот же импульс поступает на первый установочный вход триггера 8 и переводит триггер 8 в состояние, при котором ключ 9 закрыт.

С первого выхода элемента 7 задержки импульс переполнения, задержанный по сравнению с импульсом на первом

25 выходе элемента 7 задержки на время, достаточное для переписи кода из счетчика 4 в блок 6 индикации, поступает на вход обнуления счетчика 4, на вход предварительной установки

30 сумматора 5, в результате чего в сумматор заносится число М, и на второй установочный вход триггера 8, который при этом переходит в состояние, при. котором ключ 9 открыт, что

35 является началом следующего цикла преобразования кода, пропорционального К периодам, в код, пропорциональный измеряемой частоте.

Длительность t цикла работы усти ройства преобразования кода, пропорционального К периодам, в код, пропорциональный измеряемой частоте, определяется следующим выражением:

t. = f„K„-T2 (3) tx К н= — — -- (5) циклов преобразования К периодов измеряемой частоты в код, пропорциональный этим К периодам, т.е. за время в регистре 10 происходит обновление кода, подаваемого на информационные входы сумматора 5. Сигнал переполнения на выходе сумматора 5 появится, когда число, записанное в него, равно или превышает 2 где m — разрядность сумматора 5. При этом справед- . ливо следующее равенство:

6 С.= 2 — М, 1 (6) где С,. — код на входе двоичного накапливающего сумматора 5 при j-том такте суммирова30 ния, М вЂ” код предварительной установки сумматора;

 — число суммирований, равное коду в счетчике 4 в момент появления импульса переполнения на выходе сумматора 5.

Левую часть равенства (6) для измеряемых частот, удовлетворяющих условию (4), можно представить в виде:

7 1290) длительность t„ цикла работы устройства преобразования кода, пропорционального К периодам, в код, пропорциональный частоте становится больше длительности t цикла работы устрой- 5 х ства преобразования измеряемой частоты в код, пропорциональный К периодам измеряемой частоты, и за время

t„ происходит

10 й

Nt -т

С, .INTt — — - — - ) +1 (9) 1=1 Т, Соответственно, выходной код в предлагаемом цифровом измерителе частоты равен (2 — М) N

В

N.t

ZNT f †- -- +1

1 (10) Математическое ожидание выходного кода

2 — М

В (11) и + с

Максимальное значение среднеквадратичного отклонения выходного кода в предлагаемом цифровом измерителе частоты равно (2 -М) ° 0,5

S (b) make= — — — — — — - (12) (и+0,5) N

По сравнению с известным максимальная погрешность данного цифрового измерителя частоты уменьшена в и раз.

90 8 н

Как видно из фиг.2 сумма с;, коiiз1 дов С;, полученных в N отдельных преобразованиях временного интервала t„ в код в случае, когда конец каждого интервала t„ является одновременно началом следующего временного интервала, равна коду, полученному при преобразовании временного интервала Nt„ в код, Поэтому в соответствии с выражением (1) можно записать

2 — М

В = и — С, 1=1 (2-М) N

Я

Е С;

6 C= (C +C +... С„)+... + (C+C. +... С. )+

+ (CN+CN+ .. ° +CN) = — с (7)

В

1=! где С,. — код в регистре 10, полученный в i-том цикле преобразования К периодов измеряемой частоты в код.

Из выражений (6) и (7) следует, что код, пропорциональный измеряемой частоте, в счетчике 4 в момент появления импульса переполнения равен . 55

Формула изобретения

Цифровой измеритель частоты, содержащий формирователь интервала измерения, первый вход которого является входом устройства, генератор образцовых частот, первый и второй счетчики, сумматор, блок индикации, элемент задержки, триггер, ключ и регистр, информационные входы которого соединены с разрядными выходами первого счетчика, а выходы — с информационными входами сумматора, выход переполнения которого соединен с вхо дом элемента задержки, первый выход которого соединен с входом предуста) 2901

Составитель Е.Минкин

Техред В. Кадар Корректор И.Эрдейи

Редактор M.Òoâòèí

Заказ 7894/40

Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, ф-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,4 новки сумматора, входом установки нуля второго счетчика и первым входом триггера, а второй — с вторым входом триггера и входом записи данных блока индикации, информационные входы которого соединены с разрядными выходами второго счетчика, счетный вход которого соединен с входом управления суммированием сумматора и выходом ключа, управляющий вход кото- 10 рого соединен с выходом триггера, а вход — с первым выходом генератора образцовых частот, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности в него введены D-триг- 15

rep, третий счетчик и двухвходовый элемент И, выход которого соединен

90 10 со счетным входом первого счетчика, первый вход — с инверсным выходом

D-триггера и входом установки нуля третьего счетчика, а второй вход со счетным входом третьего счетчика и вторым выходом генератора образцовых частот, третий выход которого соединен со счетным входом D-триггера, информационный вход которого соединен с выходом формирователя интервала измерения, второй вход которого соединен с входом начальной установки первого счетчика и первым выходом третьего счетчика, второй выход которого соединен с входом управления переписью регистра.