Устройство для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов

 

Изобретение может быть использовано для измерения процессов ,малой скорости, например частоты пульса, дыхания. Устройство, для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов содержит входной форьшрователь 1, генератор (Г) 2 пилообраз ного напряжения, пиковый детектор 3, управляемый Г 4, триггеры 5,6 ключи 7,15,16, импульсный Г 8 опорной частоты, дифференцирующие цепи 9,18, компаратор 10, источники 11,12 опорного напряжения соответственно, вспомогательный конденсатор 14, логический инвертор 17, счетчик J9 импульсов . Устройство имеет повышенную точность измерения,.2 з,п,ф-лы, 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А2

„„SUÄÄ 141354

r )) 4 С 01 R 23/00

RCK6Hl35A%

Ц,",,Ä )3

Б)БЛНОТЕМА

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЯЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 930144 (2)) 4181858/24-21 (22) 15.01,87 (46) 30.07.88. Бюп. ¹ 28 (71) Куйбышевский авиационный институт им. акад.С.П.Королева (72) В.А.Медников, А.Н.Порынов и Ю.И.Макарычев (53) 62).317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 930144, кл. G 01 R 23/02, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ МЕДЛЕННО МЕНЯЮ)ЦИХСЯ

ПРОЦЕССОВ (57) Изобретение может быть использовано для измерения процессов малой скорости, например частоты пульса, дыхания. Устройство. для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов содержит входной формирователь 1, генератор (Г) 2 пилообраз» ного напряжения, пиковый детектор 3 управляемый Г 4, триггеры 5,6, ключи 7,15,16, импульсный Г 8 опорной частоты, дифференцирующие цепи 9,18 компаратор 10, источники 11,12 опорного напряжения соответственно, вспо" могательный конденсатор 14, логический инвертор 17, счетчик )9 импульсов. Устройство имеет повышенную точность измерения.. 2 з.п.ф-лы, 6 ил. д

1413542

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для измерения частоты процессов малой скорости, например частоты пульса,, дыхания и т.д.

Цель изобретения — повьппение точ" ности измерения и расширение диапазо- на измеряемых частот.

На фиг.1 представлена функциональ- 10 ная схема устройства для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов; на фиг.2 — временные . диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.3-5 — функциональные схе-1g мы соответственно пикового детектора, импульсного генератора опорной частоты и магазина конденсаторов; на фиг.бвременные диаграммы, поясняющие работу магазина конденсаторов. 20

Устройство для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов содержит входной формирователь 1, генератор 2 пилообразного напряжения, пиковый детектор 3, управ- 25 ляемый генератор 4, первый 5 и второй 6 триггеры, первый ключ 7, импульсный генератор 8 опорной частоты, первую дифференцирующую цепь 9, компаратор 10, первый 11 и второй 12 Зр источники опорного напряжения, магазин 13 конденсаторов, вспомогательный конденсатор 14, второй 15 и третий 16 ключи, логический инвертор 17> вторую дифференцирующую цепь 18 и счетчик 19 импульсов.

Генератор 2 пилообразного напряжения может быть выполнен, например, на эталонном конденсаторе 20, генераторе 21 тока и цепи 22 разрадя эта- 4р лонного конденсатора. .Пиковый детектор 3 может содержать например, эмиттерный повторитель 23, аналоговое запоминающее устройство 24, устройство 25 сброса напряжения и 45 элемент ИЛИ 26.

Импульсный генератор 8 опорной частоты может быть реализован, например, на счетчике 27 импульсов, коммутаторе 28, генераторе 29 импульсов, h делителях 30-1 — 30-h частоты импульсов.

Магазин 13 конденсаторов может содержать, например, сдвиговый регистр 31, генератор 32 логической единицы, управляемый блок 33 конденсаторов, блок 34 задержки, выполненный на конденсаторе 35 и резисторе 36, а управляющий блок 33 конденсаторов может включать в себя, например, 1 параллельно соединенных ветвей, каждая

j-я ветвь состоит из последовательно включенных коденсатора 37-1 и ключа

38"j, причем управляющие входы ключей 38-,1 — 38-2 являются соответствующими входами 1-Я управляемого блока 33 конденсаторов, а концы всех указанных ветвей соединены соответственно с выходом управляемого блока конденсаторов и шиной нулевого потенциала, Устройство работает следующим об" разом, Импульсная последовательность измеряемой частоты преобразуется входным.формирователем 1 (фиг,2а) в короткие прямоугольные импульсы, передний фронт которых соответствует во времени экстремальному значению каждого периода исследуемого процесса (фиг.2б).Первый импульс с выхода формирователя 1 поступает на вход триггера 5, взводя его, а также поступа" ет на управляющий вход цепи разряда генератора 2 пилообразного напряжения, воздействуя на последнюю, что приводит к быстрой разрядке через нее эталонной емкости С в маэтяо мент t Выходной импульс формирователя 1 поступает также на управляю-. щий вход ключа 15, замыкая его, и через логический инвертор 17 на управляющий вход ключа 16, размыкая его, 1 при этом вспомогательный конденсатор 14 заряжается до напряжения опорного источника 11. Кроме того, импульс формирователя 1, поступая на первый вход магазина 13 конденсаторов, устанавливает потенциалы логи" ческой единицы на входе параллельйой записи сдвигового регистра 31 и че" рез время задержки блока 34 задержки поступает на второй вход управленияпараллельной записи .сдвигового регистра 31 (Фиг. бв, Б ы,,(34)).При этом в течение времени совместного действия импульсов на первом и втором входах сдвигового регистра 31 на его выходе устанавливаются уровни логической единицы, которые, поступая на управляющие входы ключей 38 блока 33 конденсаторов, замыкают ключи 38, а следовательно, и первые выводы конденсаторов 37 на шину нулевого потенциала, вторые соединенные друг с другом выводы конденсаторов, являясь выходом магазина 13 конденсаторов, 1413542 иэ генератора 32 логической единицы на вход последовательной информации сдвигового регистра 311 при этом

5 ключ 38-1 замыкается и конденсатор

37-1 подсоединяется параллельно кон1 денсаторам 14 и 20, напряжение на которых в момент времени t скачком падает с напряжения, равного U )B, до

10 величины

U,(t=C,) = U — †- — (2)

C + СД0

Ы Сн. Сао СЗЬа пиковый детектор 3 под действием импульса компаратора 10 разряжается

15 до этого же напряжения. Кроме того, импульс компаратора 10, поступая на первый вход импульсного генератора 8, увеличивает код счетчика 27 иа единицу, что соответствует изменению масштаба представления периода входной последовательности напряжением в раэ.

Если q принять равной двум, то

С 4+ С20+ С

25 Ч

C И+ С20

44 20 К4 ЮВ )

С + С + С +...+С

f4 20 39-1 bB- 1-!

Соотношение (3) позволяет последовательно выбирать величины емкостей конденсаторов С „ -, С подсоединены также к шине нулевого потенциала через цепь 22 разряда генератора 2 пилообразного напряжения, В результате конденсаторы 37 разряжаются до нуля. После окончания действия импульса на выходе формирователя 1 цепь 22 разряда размыкается, на первых выходах регистра 31 сдвига, а следовательно, и на его выходах устанавливаются уровни логического нуля, при этом ключи 38 размыкаются, вспомогательный конденсатор 14 отсоединяется от источника 1) и подсоединяется ключом 16 к эталонному конденсатору 20, перераспределение зарядов на которых приводит к установлейию потенциала на них, определяемого выражением () = V †------ — (1)

С 4

44 3 И С+

14 20 где U — напряжение на выходе первои го источника 11 опорного напряжения;

С, и — емкости конденсаторов )4

С 0 и 20 соответственно.

Начиная со значения- U, формируемое в последующие моменты времени напряжение на .выходе генератора 2 пилообразного напряжения совпадает с пилообразным напряжением, начало генерации которого совпадают с передним фронтом импульса на выходе формирователя 1. Таким образом, точность формирования пилообразного напряжения, особенно для малых времен, на выходе генератора 2 значительно выше, по сравнению с известным устройством, для которого начало формирования пилообразного напряжения существенно не совпадает с началом управляющего импульса и зависит от времени, необходимого для разряда конденсаторов устройств. .

При большом периоде входных импульсов напряжение на выходе генератора 2, линейно нарастая, достигает уровня напряжения Б,2 второго источника 12 опорного напряжения, при этом компаратор )О в момент t срабатывает, в результате чего на второй вход магазина 13 конденсаторов, а следовательно, и на вход управления последовательной записью сдвигового ре-: гистра 3) поступает импульс (фиг.бг, U . ()3)), при этом в первый разЬХОД2ряд сдвигового регистра 31 заносится логическая единица, поступающая

Напряжение эталонного конденсатора 20, поступая через эмиттерный

35 повторитель 23 на вход аналогового запоминающего устройства 24, отслежи" вается последним йа его выходе, являющемся выходом пикового детектора 3 (фиг.3), с которого поступает.на вход

40 управляемого генератора 4 с линейной модуляционной характеристикой,.формирующего импульсы, частота следования которых (фиг,2ж) меняется в зависимости от управляющего напряжения

45 пикового детектора 3 (фиг.2е).

С выхода управляемого генератора 4 последовательность импульсов поступает на счетный вход второго триггера 6, который находится в исходном состоя" нии (входное напряжение триггера 6 .соответствует уровню логической еди" ницы). При этом выходные импульсы генератора 4, поступающие н@ счетный вход триггера 6, не могут изменить его состояние до тех пор, пока напряжение на входе установки триггера 6 не станет равным уровню логической единицы.

1413542

В моменты времени t t и т.д.

11 71 выходное напряжение триггера 5 изменяется с нулевого уровня на уровень логической единицы. При этом триг":

rep 6 получает возможность работать в счетном режиме (т.е.возможность изменять состояние уровней выходных напряжений при поступлении импульсов на счетный вход). 10

С приходом первого счетного импульса с выхода управляемого генератора 4 на счетный вход второго триггера 6 выходной уровень напряжения последнего изменяется на противоположный. Первый импульс генератора 4 переводит второй триггер из состояния логической единицы в нулевое.

Второй импульс с выхода управляемого генератора 4, воздействуя в мо- 20 мент времени t4 на счетный вход второго триггера 6, вновь перебрасывает

его в противоположное (исходное) состояние. Импульс, сформированный на выходе триггера 6, дифференцируется дифференцирующей цепью 9.Выходной .импульс дифференцирующей цепи положительной полярности в момент времени

tq поступает на вход установки нуля триггера 5 и сбрасывает триггер 5.

При этом нулевой уровень напряжения с выхода первого триггера 5 (фиг.2э), поступив на установочный вход (установки уровня логической единицы) второго триггера 6, переводит его в состояние, нечувствительное к импульсам с выхода импульсного генератора 4.

Сформированный таким образом в интервале времени t --t импульс на вы4 ходе второго триггера 6 (фиг.2и) по- 40 ступает на второй вход (управляющий) электронного ключа 7, открывая его

Мна время своего действия.. Через открытый электронный ключ 7 импульсы, поступающие на первый вход последнего 45 с выхода генератора 8 опорной частоты, проходят на выход электронного ключа 7 (фиг.3л) до тех пор, пока он не закроется в момент времени t по окончании действия импульса с вы- 50 хода триггера 6.

Таким образом, электронный ключ 7 открыт в промежуток времени t<-t или на время, равное периоду следования импульсов на выходе управляемого генератора.

Число этих импульсов пропорционально измеряемой частоте процесса, Напряжение на выходе аналогового запоминающего устройства 24 (фиг.З) и на выходе пикового детектора 3 сбрасывается в момент времени t< через устройство 25 сброса путем воздействия на последнее положительного импульса с выхода дифференцирующей цепи 9 (фиг,2к), после действия которого напряжение на выходе аналогового запоминающего устройства 24 и на выходе пикового детектора 3 вновь повторяет через эмиттерный повторитель 23 линейно изменяющееся напряжение с эталонной емкости 20 генератора 2 пилообразного напряжения, кроме того, после каждого срабатывания компаратора 10 (фиг.2в) производится аналогичный сброс пикового детектора 3.

Используемые для измерения первый и второй выходные импульсы импульсного генератора 4, составляющие его период Т„ = -t< >.следуют позднее момента времени t установления стационарного режима блока 4, Так как для измерения используется временной интервал следования импульсов, следующий эа моментом времени t то для (Ф работы данного импульсного генератора 4 не требуется синхронизации скачков управляемого напряжения пикового детектора с выходными импульсами релаксационного генератора.

Предлагаемое устройство для цифрового измерения мгновенной частоты импульсной последовательности отличается от известного более высокой точностью, особенно в области повышенных частот, так как измерение периода выходных импульсов выполняется . между одноименными фронтами входных импульсов, при этом время обработки не влияет на результат измерения, !

Благодаря коммутации конденсаторов магазина 33 расширяется диапазон в области низких частот. При изменении кода счетчика 2? изменяется и частота на выходе генератора 8 импульсов в q раз.

Формула изобретения

3. Устройство для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов rio авт.св. В 930344, о т л и " ч ающе ес я тем, что, сцелью повышения точности измерения и расши1413 рения диапазона измеряемых частот, в него введены второй конденсатор, второй и третий ключи, логический инвертор, два источника опорного напряжения, компаратор, магазин конденсаторов, вторая дифференцирующая цепь ° счетчик импульсов, причем первый вы- вод второго конденсатора соединен с выходом источника опорного напряже- 10 ния через второй ключ, связанный своим управляющим входом с выходом входного формирователя, с входом логического инвертора и с первым входом магазина конденсаторов, выход ко- 15 торого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, первым входом компаратора и информационным входом третьего ключа, соединенного своим управляющим входом с выходом 20 логического инвертора, в выход второго ключа подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход второго источника опорного напряжения связан с вторым входом компаратора, соединенного своим выходом с вторым входом магазина конденсаторов, с дополнительным вхо" дом пикового детектора и с первым З0 входом импульсного генератора опорной частоты, второй вход которого подключен к выходу первой дифференцирующей цепи, вход второй дифференцирующей цепи соединен с выходом

35 первого триггера, а ее выход связан с входом сброса счетчика, соединенного своим тактовым входом с выходом первого ключа, при этом выход счетчи- . ка является выходом устройства. 40

2, Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что магазин кон" денсаторов содержит сдвиговый регистр, 542 8 генератор логической единицы, блок задержки и управляемый блок конденсаторов, управляющие входы которого соединены с соответствующими выходами сдвигового регистра, вход сдвига которого является вторым входом магазина конденсаторов, выходом которого является выход управляемого блока конденсаторов, соединенного своим вторым выходом с шиной нулевого потенциала, выход генератора логической единицы соединен с последовательным входом сдвигового регистра, вход sa"" писи параллельного кода которого связан с выходом блока задержки, вход которого соединен с разрядными входами сдвигового регистра и является первым входом магазина конденсаторов.

Э. Устройство по п.l о т л ич а ю щ е е с я тем, что импульсный генератор опорной частоты содержит генератор импульсов, коммутатор, h делителей частоты, счетчик импульсов, тактовый вход и вход сброса которого являются соответственно первым и вторым входа.ми импульсного генератора опорной частоты, выходом которого является выход коммутатора, соединенного своими управляющими входами с соответствующими выходами счетчика импульсов, выход генератора соединен с первым из информационных входов коммутатора, остальные информационные входы которого соединены с выходами соответствующих делителей .частоты, соединенных последовательно в цепь, в которой вход каждого последующего делителя частоты соединен с выходом предыдущего, а вход первого делителя частоты в цепи последовательно соединенных делителей частоты соединен с выходом генератора импульсов, о

ЮЗ/ д4М

Я

КФ а

КФ) и® дых

КЯЦ

gbix

4C/1ф

ЮЧ) ды йО/

Bus й16)

A/Х

У ./У/ аале.

И / 7/

Л М, Q У) алых.

1413542

14! 3542

) 413542 1 2

Редактор А.Orap

Заказ 3778/47

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Qh

ЩЯ Bxod1 -а(м) дых аозт

Иа УЯ

В ®

8ьюР

< ию) ды, 8

„и зо

МГ Выхг (3 Ц дых2

Составиткль А.Козленко

Техред Л.Олийнык Корректор С,ЧеРни

Тираж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

II3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5