Цифровой измеритель периода

 

Изобретение может быть использовано для измерения частоты и перио ,да сигналов с повышенной точностью И помехоустойчивостью. Целью изобретения является повышение точности и помехоустойчивости измерения частоты и периода сигнала без увеличения времени измерения. Устройство содержит формирователи 1 и 14 импульсов, элементы И 2,9 и 11, элемент 3 задержки , вычитающий счетчик 4, сумматоры 5 и 6, дешифраторы 7 и 12, триггер 8 управления, триггер 10 запуска , генератор 13 образцовой частоты , регистр 15 памяти, счетчик 16 и индикатор 17. В предложенном устройстве по сравнению с шумовой составляющей погрешности прототипа будет одновременно уменьшена на. 30% и шумовая составляющая суммарной погрешности без увеличения времени измерения. 1 ил. S (/

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (5g 4 G 01 R 23/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4096932/24-21 (22) 25.07.86 (46) 15,01,88. Бюл. № 2 (71) Красноярский политехнический институт (72) В.Г. Патюков (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 771563, кл. С 01 R 23/10, 1978. (54) ЦИФРОВОИ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРИОДА (57) Изобретение может быть использовано для измерения частоты и перио,да сигналов с повышенной точностью и помехоустойчивостью, Целью изобретения является повышение точности

„„SU„„1366962 д1

1

Ф э.- ..".. г:; .- ...

5 - -., l

О и помехоустойчивости измерения частоты и периода сигнала без увеличения времени измерения. Устройство содержит формирователи 1 и 14 импульсов, элементы И 2,9 и 11, элемент 3 задержки, вычитающий счетчик 4, сумматоры 5 и 6, дешифраторы 7 и 12, триггер 8 управления, триггер 10 запуска, генератор 13 образцовой частоты, регистр 15 памяти, счетчик

16 и индикатор 17. В предложенном устройстве по сравнению с шумовой составляющей погрешности прототипа будет одновременно уменьшена на !

30% и шумовая составляющая суммарной погрешности без увеличения времени измерения. 1 ил .

1366962

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения частоты и периода сигналов с повышенными точностью и помехоустойчивостью.

Целью изобретения является повышение точности и помехоустойчивости измерения частоты и периода сигнала без увеличения времени измерения. 10

На чертеже представлена структурная схема измерителя периода.

Устройство содержит первый формирователь 1 импульсов, вход которого является входом измерителя периода, 1г, а выход через последовательно соединенные первую схему И 2, элемент 3 задержки, вычитающий счетчик

4 и второй сумматор 5 подкл1очен к первому сумматору 6, при этом выход 20 первой схемы И 2 одновременно соединен с входом синхронизации второго сумматора 5, а выход вычитающего счетчика 4 через последовательно

I соединеннше первый дешифратор 7, 25 триггер 8 управления, вторую схему

И 9 подключен к триггеру 10 запуска, второй вход которого является входом запуска измерителя, а выход подключен к второму входу первой схемы И 2 30 и входу третьей схемы И 11, выход триггера 8 управления одновременно подключен к управляющему входу вычитающего счетчика 4 и входу "Единица переноса младшего разряда второго сумматора 5, выход которого одновременно через второй дешифратор 12 подключен к второму входу второй схемы И 9, а генератор 13 образцовой частоты через второй формирователь 40

14 импульсов соединен с третьей схемой И 11, выход которой подключен к регистру 15 памяти, выход которого через первый сумматор 6 и счетчик

16 соединен с индикатором 17 и одно- 45 временно с вторым входом последнего, а второй выход сумматора 6 соединен с вторым входом регистра 15 памяти.

Устройство работает следующим образом. 50

В исходном состоянии триггер 10 запуска и триггер 8 управления находятся в нулевом состоянии, схемы

И 2, 9 и 11 закрыты, вычитающий счетчик 4 находится в состоянии и (число, соответствующее количеству усредняемых периодов), сумматоры 5, 6, регистр 15 памяти и счетчик 16 в нулевом состоянии. Входной сигнал поступает на формирователь 1 импульсов, на выходе которого образуется поток импульсов, соответствующих моментам перехода сигнала через нулевой уровень с положительной производной. Эти импульсы поступают на вход схемы И 2, Одновременно на вход схемы И 11 поступает импульс с выхода второго формирователя 14 импульсов, на вход которого поступает сигнал от генератора 13 образцовой частоты. По сигналу запуска триггер 10 запуска переводится в состояние 1 которое, воздействуя на схемы И 2 и

11, выполняющие функции ключей,разрешает прохождение сигналов с выхода формирователей 1 и 14 импульсов в последующие цепи. При открытых схемах И 2, 11 состояние сумматора 6, регистра 15 памяти и счетчика 16 будет нулевЬ1м и не изменится до тех пор, пока не появится первый импульс сигнала с выхода схемы И 2. Зтим сигналом число п, установленное в вычитающем счетчике 4, переписывается в сумматор 5, а после задержки в элементе 3 задержки на время, требуемое для записи числа в сумматор 5, импульсом входного сигнала состояние счетчика 4 уменьшается на два, Первым импульсом после второго сигнала, сформированным в формирователе 14 из сигнала генератора 13 образцовой частоты, прошедшим через открытую схему И 11, результат суммирования в сумматоре 6, содержимое сумматора 5 и регистра 15 памяти будут записаны в регистр 15 памяти, Такая запись результата суммирования сумматора 6 в регистр 15 памяти осуществляется по каждому импульсу образцовой частоты, поступающему от схемы И 11 на регистр 15 памяти. Следовательно, при измерении первого периода сигнала содержимое регистра 15 памяти с каждым импульсом образцовой частоты увеличивается на и. Тем самым реализуется накапливающее суммирование, результат которого к моменту поступления второго импульса входного сигнала от схемы И 2 равен длительности первого периода входного сигнала, умноженного на весовой коэффициент

= n. С приходом второго импульса

1 входного сигнала содержимое сумматора 5 увеличивается на (п-2), находящееся в вычитающем счетчике 4. К началу второго периода входного сиг1366962 нала в сумматоре 5 формируется весовой коэффициент Q< = n+(n-2). Этим же импульсом входного сигнала, записанным в элементе 3 задержки, содер- жимое вычитающего счетчика 4 умень5 шается еще на два и равно (n-4).

Тем самым подготавливается число для формирования весового коэффициента Я . Значение весового коэффициента Q сформированное к началу действия второго периода в сумматоре 5, суммируется с содержимым регистра 15 памяти по каждому импульсу образцовой частоты. В счетчике

16 накапливается результат перепол1 нения сумматора 6. Измерения последующих периодов исследуемого сигнала не имеют особенностей до момента обнуления вычитающего счетчика 4, ко- 20 торсе происходит при изяерении (n/2+1)-ro из усредняемых периодов.

Начиная с этого момента, все последующие весовые коэффициенты формируются на выходе сумматора 5, обеспечивающего сложение содержимого сумматора 5 с содержимым вычитающего счетчика в дополнительном коде, т.е. обеспечиваются условия для выполнения операции вычитания и последую- 30 щего уменьшения весовых коэффициентов. Для этого на выходе дешифратора

7 появляется сигнал, переводящнй триггер 8 в состояние " 1", которое устанавливается на входе схемы И 9, входе "Единица переноса" младшего разряда сумматора 5 и подключает к выходной шине счетчика 4 инверсный выход первого разряда. Это обеспечивает формирование дополнительного 40 кода состояния счетчика 4, а после поступления импульса синхронизации— выполнение операции вычитания.

Цикл измерения завершается, когда происходит измерение последнего 4> периода. В это время появляется сигнал на выходе дешифратора 12 и устанавливает триггер 10 в исходное состояние, Этот же сигнал может быть использован для приведения в исходное состояние всего измерителя.

В результате перечисленных операций с помощью вычитающего счетчика

4 и сумматора 5 формируются весовые коэффициенты значения которых оди- 55 и иаковы для измеряемых периодов, равностоящих от начала и конца времени . измерения. Результат измерения находится в регистре 15 памяти и счетt чике 16, причем в регистре фиксируются младшие, а в счетчике 16 старшие разряды числа, пропорционального среднему значению периода исследуемого сигнала.

Покажем, что алгоритм формирования весовых коэффициентов, положенный в основу работы измерителя, обеспечивает уменьшение дисперсии оценки среднего периода без увеличения времени измерения. Для этого оценку среднего значения периода будем искать в виде где g. — весовые коэффициенты, удовлетворяющие условию несмещенности оценки (2g; = 1);

N; — результат измерения i-го Т„.

В таком представлении результата измерения задача оптимизации сводится к поиску весовых коэффициентов, минимизирующих погрешносТь измерения.

Измерение каждого. периода сопровождается погрешностью квантования измерения — начала и конца, причем погрешность конца измерения i-го периода- одновременно является погрешностью начала (i+1) -го периода и имеет отрицательный знак. С учетом этого выражение для суммарной погрешности оценки складывается из погрешности измерения -го периода с учетом весового коэффициента — g,(,- )+а (,- )+

+gll(h .+, ) где g„ л„ вЂ” погрешность начала измерения первого периода, взятая с весом g„;

gÄ a — погрешность конца измерения первого периода; д — погрешность измерения на2 чала второго периода и так далее.

Выражение для дТ+ приведем к виду:

Л Т = g „д „ (g> -g,) 4, +(g,-К, ) л, +.

+ „+(gq И h-1) h g h hat gl 1

+ (а;,„-g;)>;„-а,> „, и найдем дисперсию погрешности по общим правилам

962

g = i(n+1-i) Л/4

Л = 4/ g i(n+1-i) 25

6; (n+1-i) и (n+1) (n+2) (4) — k

5 13бб и-! (62 =62(а2+ Е (а.,)2+ 2 ) (1)

1; 1 !+1

Минимум (1) найдем методом неопределенных коэффициентов на основании которого составим выражение и опре-делим экстремум функции

П-1

2+, () +

-л

t где Л вЂ” неопределенный коэффициент, получаемый в процессе оптимизации g

Для этого найдем частные произ15 водные (2) и приравняем к нулю:

Зф(g,)/ g, = qg„-2g Л=О, откуда g = — (g +Л/2), à g< = 2g„1

/2 2

Аналогично зф(р „.)/а, = 4,-2д,-2,-Л= О, 1 откуда а, = « - {а!+а +Л/2), а !

g, = 2g,-g -Л/г, и т.д. до Зф(д;)/Bg> О и аф(а,)/agÄ = o, откуда получим

= пЛ/4. Это позволит записать общее выражение (3) в виде

Определим значение неопределенного коэффициента из условия несмещеннбсти оценки

I1

Л ,7 я. = -- . i(n+I-i) = 1 и

4 с ! 1= !

Следовательно, учитывая, что и ь

i=n(n+1)/ã и i = п(п+1)

° 2

«((и+2) /ь, в результате получим значения .весовых коэффициентов, минимизирующих дисперсию (1) без увеличения времени измерения:

g.,= i(n+l- )! Е (и+1- ) где k = 6/п(п+1) (n+2), à Q, = i(n+1-i) .

g = — (g, +g„ Л/2)

2 (g „„+Л/2) .

Из полученных соотношений соста35 вим выражение для весовых коэффициентов в общем виде, представленное через значения ц„ и g„:

Из (3) видно, что g . .и g . .одинаково представляются аналитически через

g1 и gll и для 2 ) весовые коэффици 4 енты равны: т,е. g „ = g„ следовательно, весовая функция симметрична относительно середины времени усреднения. Из (3) запишем выражения для весовых коэффициентов соответЭ

50 ствующих средним значениям из усредняемых периодов

Л и

4 и n n

gn = -g - — (--1) и 2 1 2 2

Л !

4 и

= (- +1)g -(- + 1)-— п п п

2 " 2 2

2 а учитывая, что g Ä < = g р+1

g, = п, найдем отсюда, что

g1= gÐ= я = 2.д -i.(i. 1)Ë/4 и g = 1@—

1 40

I-j (j-1) Л/4 (3) Следовательно, оценка среднего значения периода исследуемого сигнала имеет погрешность с дисперсией (t) и весовыми коэффициентами (4), минимизирующими значение суммарной погрешности, т.е. и « т =. g!N! = k+ Q N. !!

I 1=!

=k i(п+1-i)N, . (5) Дисперсия оптимизированного алгоритма (5), найденная по (1) при и» 1, равна 6 + = b(2 /n и по сравнению с оценкой измерения периода прототипа, полученной при тех же условиях, эффективность предлагаемого устройства составит Q = Ьр /Ь „- 1,3.

Следовательно, устройство обеспечивает уменьшение дисперсии результата измерения не менее чем на ЗОЖ без увеличения времени измерения. С такой же эффективностью в устройстве одновременно уменьшается и шумовая составляющая суммарной погрешности.

Влияние шумовой составляющей проявляется в флуктуациях начала и конца

i-го временного интервала. Поэтому, если время корреляции („) шума

< Т„, то за время усреднения

1366962 формулаизобретения

Цифровой измеритель периода, содержащий генератор образцовой частоты, первый формирователь импульсов, вход которого является входом устройства, последовательно соединенные регистр памяти, первый сумматор, счетчик и индикатор, второй вход

I которого соединен с первым входом первого сумматора, второй выход первого сумматора подключен к входу регистра памяти, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и помехоустойчивости, в него введены второй формирователь имСоставитель В.Величкин

Техред Л. Олийнык Корректор O.KÐàâöîâà

Редактор А.Маковская

Заказ 6835/45 Тираж 772 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 (T = n.Ò„) будет n = Т/ „.независимых отсчетов, которые подвергаются весовой обработке по алгоритму (5).

Поэтому оценку погрешности шумовой составляющей можно провести по приведенным формулам, а Ь будет представлять дисперсию шумовой составляющей одного периода. В результате по сравнению с шумовой составляющей погрешности прототипа будет уменьшена одновременно и шумовая составляющая суммарной погрешности на ЗОБ без увеличения времени измерения, что и составляет сущность положитель ного эффекта. пульсов, первая, вторая и третья схемы И, триггер запуска, триггер управления, первый и второй дешифраторы, элемент задержки, вычитающий счетчик и второй сумматор, при.этом выход первого формирователя импульсов через последовательно соединенные первую схему И, элемент задержки, вычитающий счетчик и второй сумматор подключен к второму входу первого сумматора, выход первой схемы И одновременно соединен с входом синхронизации второго сумматора, а выход вычитающего счетчика через последовательно соединенные первый дешифратор, триггер управления, вторую схему И подключен к первому входу триггера запуска, второй вход которого является входом запуска измерителя, а выход подключен к второму входу первой и первому входу третьей схем

И, выход триггера управления одновременно соединен с управляющим вхо25 дом вычитающего счетчика и входом

"Единица переноса младшего разряда второго сумматора, выход которого через второй дешифратор подключен к второму входу второй схемы И, генеЗб ратор образцовой частоты через второй формирователь импульсов соединен с вторым входом третьей схемы И, выход которой соединен с вторым входом регистра памяти.