Способ измерения частоты и устройство для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано в качестве низкочастотного частотомера и позволяет повысить его быстродействие и точность измерения. Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, ключи 2, 4, 9 и 16, интегратор 3 со сбросом, схему 6 сравнения, генератор 8 импульсов образцовой частоты, счетчик 10, блок 11 цифровой индикации, формирователь 12, блок 14 запуска и сброса и интегратор 5. Введение формирователя 15 опорного интервала времени и образование новых функциональных связей позволяет получить повьшзение точности измерения частоты благодаря соответствующему уменьшению постоянной времени первого интегрирования при сохранении чувствительности измерения . Кроме того, устройство обе-, спечивает плавность регулировки чувствительности измерения в широких пределах путем изменения соотношения постоянных времени второго интегрирования опорного напряжения и результата первого интегрирования. 2 с. п. ф-лы, 5 ил. S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1467519

А1 (51)4 G 01 К 23/06, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4131071 /24-21 . (22) 04. 10. 86 (46) 23.03.89. Бюл. 1 - 11 . (72) Викт.А.Баранов, Н.A.Åðìîëàåâ, Вл.А. Баранов, А.А.Легошин и Г.А. Франк (53) 621.317.7(088.8) (56) Шляндин В.M. Цифровые измерительные преобразователи и приборы.

M. Высшая школа, 1973, с.185-!87, рис.3.32.

Авторское свидетельство СССР

1г 788019, кл ° G 01 R 23/06, 1980. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСП1ЕСТВЛЕИИЯ (57) Изобретение может быть использовано в качестве низкочастотного частотомера и позволяет повысить его быстродействие и точность измерения.

Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, ключи 2, 4, 9 и 16, интегратор 3 со сбросом, схему 6 сравнения, генератор 8 импульсов образцовой частоты, счетчик 10, блок

11 цифровой индикации, формирователь

12, блок 14 запуска и сброса и интегратор 5. Введение формирователя

15 опорного интервала времени и образование новых функциональных связей позволяет получить повышение точности измерения частоты благодаря соответствующему уменьшению постоянной времени первого интегрирования при сохранении чувствительности измерения. Кроме того, устройство обеспечивает плавность регулировки чувствительности измерения в широких пределах путем изменения соотношения постоянных времени второго интегрирования опорного напряжения и результата первого интегрирования.

2 с.п.ф-лы, 5 ил.

1467519

Изобретение относится к измери1 тельной технике и может использоваться в качестве низкочастотного частотомера °

Цель изобретения — повышение быстродействия и точности измерения.

Способ основан на промежуточном преобразовании длительности периода измеряемой частоты в напряжение путем интегрирования опорного напряжения в течение этого перепада и преобразовании длительности опорного интервала времени в .напряжение во время промежуточного преобразова- 15 ния путем интегрирования опорного напряжения в течение опорного интервала, результат которого сохраняется до момента окончания промежуточного преобразования, после чего произво- 20 дят определение длительности инфор1 мативного интервала времени, пропорционально о значению измеряемой частоты, посредством второго интегрирования с инвертированием знака на- 25 пряжения, пропорционального длительности периода измеряемой частоты в пределах от результата преобразования длительности опорного интервала времени в напряжение до момента на- 30 ступления нулевого значения результата второго интегрирования.

Значение постоянной времени при втором интегрировании напряжения, пропорционального длительности периода измеряемой частоты, выбирают больше, чем значение постоянной времени при интегрировании опорного на-. пряжения в течение опорного интервала времени. 40

На фиг. 1 представлена структурC ная схема устройства; на фиг.2 — временные диаграммы работы устройства; на фиг.3 — 5 — возможные варианты схем отдельных блоков. 45

Устройство содержит (фиг. 1) последовательно соединенные источник 1 опорного напряжения (ИОН), ключ 2, интегратор 3 со сбросом, ключ 4, интегратор 5 и схему 6 сравнения, второй вход которой подключен к общей шине 7 устройства, последовательно соединенные генератор 8 импульсов образцовой частоты (ГИОЧ), ключ 9, счетчик 10 и блок 11 цифровой индикации. Устройство содержит также входной формирователь 12, вход которого является входом 13 устройства, а выход соединен с управляющим входом ключа 2 и первым входом блока 14 запуска и сброса (БЗС), второй вход

БЗС 14 соединен с выходом схемы 6 сравнения. Первый выход БЗС 14 подключен к управляющим входам ключей

4 и 9, а второй и третий выходы соединены с входами "Сброс" соответственно интегратора 3 и счетчика 10, формирователь 15 опорного интервала времени (ФОИВ) и ключ 16, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя 15 опорного интервала времени, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно входного формирователя 12 и генератора 8 импульсов образцовой частоты. Выход источника 1 опорного напрях<ения через ключ 16 соединен с вторым входом интегратора 5.

Интегратор 3 выполнен инвертирующим.

На фиг.2 обозначено U (t) — сиг ь нал на входе 13 устройства с измеряемой частотой f ;, Uo — напряжение на выходе источника 1 опорного напряжения1 Uq(t) Ug(t) о (), U (1), U 1 (t) — напряжения на выходах блоков 2 — 6, 9, 12, 16; 11 () 11 „, (), 11 < () — напряжения, соответственно, на первом, втором и третьем выходах блока 14 запуска и сброса.

Схема одного из возможных вариантов выполнения интегратора 5 с двумя входами содержит (фиг.3) операционный усилитель 17, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине 7 устройства, конденсатор 18, включенный между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 17, а также подключенные к этому входу резисторы 19 и 20, вторые выводы которых являются входами интегратора 5. При этом сопротивление ре-, зистора 19, соединенного с выходом ключа 4, больше сопротивления резистора 20, подключенного к выходу ключа 16..

Блок 14 запуска и сброса может быть выполнен (фиг.4) на основе RSтриггеров 21 и 22 и одновибраторов

23 — 25 ° Входы одновибраторов 23 и

25 объединены и являются первым входом БЗС 14, выход одновибратора 23 подключен к S-входу RS-триггера 21 и одновременно является третьим выходом блока 14 запуска и сброса.

Выход одновибратора 25 подключен к

R-входу RS-триггера 22, S-вход кото1467519 рого объединен с R-входом RS-триггера 21 и выходом одновибратора 24, вход которого является вторым входом БЗС 14. Выходы RS-триггеров 21

5 и 22 являются, соответственно, первым и вторым выходами блока 14 запуска и сброса ° Одновибраторы 23 и

24 срабатывают по заднему фронту, а одновибратор 25 — по переднему фронту входных сигналов.

Схема одного из возможных вариантов построения формирователя 15 опор- ного интервала времени Тоо содержит (фиг.5) одновибратор 26, вход кото- 15 рого является первым входом ФОИВ 15, элемент И 27, первый вход которого является вторым входом ФОИВ 15, RSтриггер 28, выход которого, соединенный с вторым входом элемента И 27, 20 является выходом ФОИВ 15, и счетчик

29, счетный вход которого подключен к выходу элемента И 27, а вход установки в нуль (R-вход) объединен с

То 25 и-м (где n==- — коэффициент пересчеТо та счетчика 29) выходом счетчика 29 и подключен к R-входу RS-триггера 28, S-вход которого соединен с выходом одновибратора 26, срабатывающего по 30 переднему фронту импульса Тх-.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсут- 35 ствии сигнала на входе и на выходе входного формирователя 12 по сигнатур лам БЗС 14 и ФОИВ 15 ключи 2, 4, 9 и 16 закрыты, а интегратор 3 находится в сброшенном состоянии, т.е. 40

U9(t)=0 (при этом с второго выхода

БЗС 14 на вход "Сброс" интегратора

3 поступает единичный уровень).

С приходом на вход 13 устройства входного сигнала с измеряемой часто- 45 той f на выходе входного формироваX теля 12 образуется импульс длительностью Т, на время действия которого открывается ключ 2, передним фрон.— том импульса Т „ через одновибратор

25, RS-триггер 22 БЗС 14 перебрасывается в нулевое состояние и интегра,тор 3 начинает интегрировать опорное напряжение U a. ИОН l. Одновременно передним фронтом импульса Т к через одновибратор 26, RS-триггер

28 ФОИВ 15 переключается в единичное состояние, разрешая с помощью элемента И 27 прохождение импульсов образцовой частоты с периодом То от

ГИОЧ 8 на счетный вход счетчика 29.

С приходом п импульсов образцовой частоты сигнал с п ãî выхода счетчика 29 переключает RS-триггер 28 и счетчик 29 по R-входам в нулевые состояния. Тем самым на выходе RS-триггера 28 и, следовательно, на выходе ФОИВ 15 формируется опорный интервал времени длительностью Т „=

= иТ .

На время ion открывается ключ 16 и опорное напряжение U о, подвергается второму интегрировании с помощью интегратора 5 с постоянной времени 2

В момент окончания Топ напряжение на выходе интегратора 5 равно

Тоо

U

Для однозначности считаем интегратор 5 инвертирующим. По окончании

Тс„ ключ 16 закрывается и интегратор

5 переходит в режим хранения напряжения U; ° Появление напряжения на выходе интегратора 5 приводит, как следует из фиг.2, к переходу схемы 6 сравнения в единичное состояние.

С приходом заднего фронта импульса Т„ закрывается ключ 2, первое интегрирование заканчивается и интегратор 3 с постоянной времени, переходит в режим хранения своего выходного напряжения, которое к этому моменту равно

1 тх Uo T

-õ "(2)

9 g o> о

Знак минус" перед значением интеграла указывает на операцию инвертирования результата первого интегрирования, что обеспечивается выполнением интегратора 3 инвертирующим.

По заднему фронту импульса Т с помощью одновибратора 23 БЗС 14 фор мируется импульс сброса, который переводит счетчик 10 в нулевое состояние, а также переключает RS-триггер 21 БЗС 14 в единичное состояние, в результате чего открываются ключи

4 и 9. При этом на вход интегратора

5 поступает с выхода интегратора 3 инвертированный результат первого интегрирования, описываемый выражением 2, а открывание ключа 9 означает начало формирования информативного интервала времени Т, по моменту окончания Т

1467519 ь и

Т, Т", »

N = --=---- f ю П7„. f (5) т

Т, Отсюда вытекает выражение для отноБ Сительной погрешности у измерения частоты f г, = 1 д+ 1 11 (6) где „ — относительная погрешность от нестабильности коэффициента пересчета и счетчика 29.

Результат измерения N не зависит от стабильности опорного напряжения

U«, постоянной времени Г и периода Т образцовой частоты.

В соответствии со способом измерения частоты формирование опорного интервала времени То„ должно осуществляться в течение времени первого (4) интегрирования, т.е. в пределах дли20 тельности импульса Т„, однако, для упрощения практической реализации

ФОИВ 15, начало опорного интервала времени Т о целесообразно синхронизировать с началом первого интегрирования, т.е. с началом периода Т„ измеряемой частоты.

Формирование опорного интервала времени Т „ по началу периода Т„ измеряемой частоты позволяет частично скомпенсировать погрешность измерения частоты у р, обусловленную разрядом емкости первого интегратора 3, Действительно, при Т до < T (что нетрудно осуществить практически) к моменту окончания Т„ напряжение U< на выходе интегратора 5 из-за разряда конденсатора последнего уменьшается и равно

Тх Топ Uos Тоо Тх Тоо, U -V (1- — -„- — ) = — — „— — (1- — „— -У

Ьро L g орт

I

5 () 5 о

Uoo1 Txt

Uo1 Топ U o. Tx t и

UO i Тоо П с1Т»Т и и 1»

"2 Ь L q ьтат С учетом разряда конденсаторов исла им- интеграторов 3 и 5 напряжение U)(t) ом 11 на выходе последнего изменяется на

50 интервале Т„ по закону

-/

Бо Топ Tх То

U dt- =— — —— x п)

3

».

U, (t) =U, — -„о о

Так как результат первого интегрирования U> противоположен по знаку опорному напряжению U, . то с учетом выражений (1) и (2) выходное напряже ние интегратора 5 в результате второго интегрирования напряжения U3 изменяется по следующему закону. т.е. уменьшается по абсолютному значению. В момент равенства выходного напряжения интегратора 5 нулю, т.е. при выполнении равенства где Т „ — время интегрирования напряжения U3 интегратором 5, совпадаю-. щее с информативным интервалом времени, срабатывает схема 6 сравнения 25 и задним фронтом своего выходного сигнала через одновибратор 24 переключает RS-триггер 21 в нулевое, а

RS-триггер 22 БЗС 14 — в единичное состояния. В результате переключе- 30 ния этих триггеров закрываются ключи

4 и 9 и сбрасывается в нуль интегратор 3, тем самым формируется задний фронт информативного интервала времени Т, по моменту равенства нулю результата второго интегрирования, а все устройство возвращается в исходное состояние и с приходом очередного переднего фронта импульса Т» цикл работы повторяется. 40 l. . ак как время открытого состояния. ключа 9 определяется длительйостью информативного интервала времени Т то, заполняя последний с помощью

ГИОЧ 8, ключа 9 и счетчика 10 импуль- 45 сами образцовой частоты с периодом повторения Т, получаем резул измерения частоты f.„ в виде ч пульсов N< индицируемых блок цифровой индикации где р — постоянная времени разряда конденсатора интегратора 5.

11 о»Тоо

dt р, Уо1Тх (1nL

t — -) и P1 (1- — — )

L р»

1.1о»Т Т1

+ (1 gn ) 1

»1 Р1 > а выражение (4 ) принимает следующий . вид:

Т» Топ Уо Тхй (1 х )+ о р о 1L

Uo1 Тоо (тх-тоо, (1 1 ° Р где 1р„= Т,/" р,.

1467519 выраN,, с

Т» Топ (1- — — — ) ът1 4 Р1

Т Тап

f n, 11 1+(р,— -- —; )l f, (10)

СР и,следовательно, суммарная относи. тельная погрешность Х от раз-! ряда конденсаторов интеграторов 3 и

5 равна

Выбор значения постоянной времени К о С >8 для опорного напряжения U меньшим значения постоянной времени

10 второго интегрирования К 9С, для результата первого интегрирования U9 путем выполнения неравенства R, /R 1

7.о позволяет получить повьппение точности измерения частоты f „ánà oäàð соответствующему уменьшению постоянной времени первого интегрирования при сохранении чувствительности измерения, т.е . при п i, R,9/R« const.

Уменьшение значения ., приводит к по вышению ее стабильности (например, благодаря уменьшению температурного коэффициента емкости конденсатора при уменьшении его емкости), а значит, и уменьшению составляющей относительной погрешности

Выбор отношения К„ /R 2 1 поэво« ляет повысить чувствительность измерения, например, в 10 раз (при практически приемлемом значении отноше/1» 2о 10), Преимуществом устройства является также воэможность плавной регулировки чувствительности измерения в широких пределах путем изменения соотношения постоянных времени второ.го интегрирования опорного напряжения Б, и результата первого интегрирования U» что легко осуществляется с помощью плавного изменения отношения R,9/R2,.

Tg-Топ

8с„ рг

Второе интегрирование опорного напряжения U и результата первого интегрирования U можно осуществить с различными постоянными времени, Для этого выходное напряжение U ин3 тегратора 3 подают на интегратор 5 через ключ 4 и резистор 19, а опорное напряжение U, — через ключ 16

"и резистор 20 интегратора 5.

В этом случае равенство (4) принимает следующий вид.

Uaa Ton Ua Т»Т

R 2ОС18 1К19 С 18 (12) где R», R и С 8- значения, соответственно, сопротивлений резисторов 19, 20 и емкости конденсатора 18.

Из (12) вытекает выражение для результата измерения частоты f „

= и" — — f, (13)

R19 э " К х

Анализ выражения (13) показывает, что результат измерения Nэ также не зависит от стабильности опорного напряжения Uq1, емкости С 98 конденсатора 18 интегратора 5, вносящей, как известно, основной вклад в нес 1 абильность постоянной времени 22, и периода Т образцовой частоты, а суммарную относительную погрешность измерения частоты с учетом разо З ряда конденсаторов интеграторов 3 и

5 можно представить в следующем виде

45 (14) Ь п У7р УR Х рg

50 где у — относительная погрешность

"R от нестабильности отношения резистоРОа R 19/R«

Поскольку нетрудно обеспечить выполнение неравенства 55

8п+ 7,«1 + Та + 1 ; + 7т

1-1о то и в этом случае обеспечивается повышение точности измерения частоты.

Из соотношения (9) получаем жение для результата измерения учетом разряда конденсаторов интеграторов 3 и 5 !

Фо рм ул а и з о б р е т ения

1. Способ измерения частоты, основанный на промежуточном преобразовании длительности периода измеряемой частоты в напряжение путем интегрирования опорного напряжения в течение этого периода, преобразовании длительности опорного интервала времени в напряжение путем интегрирования опорного напряжения в течение этого интервала и определении длительности информативного интервала времени, пропорционального значению измеряемой частоты, посредством второго интегрирования с инверти;рованием знака напряжения, иропорцио1467 нального длительности периода измеряемой частоты, в пределах — от результата преобразования длительности опорного интервала времени в напряжение до заданного значения результата второго интегрирования, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, преобразование дли- 10 тельности опорного интервала времени производят во время промежуточного преобразования длительности периода измеряемой частоты в напряжение, при:чем результат преобразования длитель- 5 ности опорного интервала времени в напряжение сохраняется до момента

1окончания промежуточного преобразования, после чего производят второе интегрирование с постоянной времени 20 интегрирования большей, чем при пер"вом интегрировании, до момента равен-; ства нулю результата второго интегрирования.

2. Устройство для измерения час- 25 тоты, содержащее последовательно соединенные источник опорного напряжения, ключ, интегратор, второй ключ, второй интегратор и схему сравнения, последовательно соединенные генера- : 30

519 1О тор импульсов образцовой частоты, третий ключ, счетчик и блок цифровой индикации, а также четвертый ключ, блок запуска и сброса и входной формирователь, выход которого объединен с управляющим входом первого ключа и первым входом блока запуска и сброса, при этом второй вход блока запуска и сброса подключен к выходу схемы сравнения, первый выход — к управляющим входам второго и третьего ключей, а второй и третий выходы— к входам "Сброс" соответственно первого интегратора и счетчика, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, в него введен формирователь .опорного интервала времени, первый и второи входы которого подключены к выходам соответственно входного формирователя и генератора импульсов образцовой частоты, а выход — к управляющему входу четвертого ключа, при этом выход источника опорного напряжения через четвертый ключ соединен с вторым входом второго интегратора, а второй вход схемы сравнения — с общей шиной устройства.

1467519

Составитель Н.Федоров

Редактор Н.Тупица . Техред И.Верес Корректор М. Демчик

3ак а з 1 1 92/43 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

ПроизводственнО-издательский комбинат "Патент", r. ужгород, ул. Гагарина,)01