Способ измерения частоты

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для использования в прецизионных частотомерах-периодомерах и в цифровых системах автоматической подстройки частоты. Цель изобретения - повышение точности измерения. Способ основан на формировании коротких импульсов в моменты перехода измеряемого сигнала через фиксированный уровень, формировании квантующих импульсов с образцовой частотой, формировании сигнала, несущего информацию о числе квантующих импульсов, сформированных в интервале времени между импульсами измеряемого сигнала. Дополнительно осуществляют (N-1) задержек сигнала, несущего информацию о количестве квантующих импульсов, и через интервалы времени, равные периоду исследуемого сигнала, производят весовое суммирование N смежных по времени сигналов, задержанных соответственно на (N-J) периодов входного сигнала с весом G<SB POS="POST">N-J+1</SB>, где J=1,2,...,N. Средний период и частота измеряемого сигнала определяется по формулам, приведенным в описании изобретения. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 G 01 R 23/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 42558 73/24-21 (22) 03.06.87 (46) 15.12.90. Бюл. 9 46 (72) В.А. Карелин (53) 621. 317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 892332, кл. G 01 R 23/00, 1982.

Авторское свидетельство СССР

P. 1293664, кл. G 01 R 23/02, 1987. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для использования в прецизионных частотомерах-периодомерах и в цифровых системах автоматической подстройки частоты. Цель изобретения - повышение точности измерения. Способ основан на формировании коротких импульсов в моменты перехода измеряемого сигнала

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для использования в высокоточных цифровых частотомерах-периодомерах, а также в цифровых системах автоматической подстройки частоты.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет уменьшения динамической погрешности.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ измерения частоты; на фиг.2 - временные диаграммы сигналов, поясняющих работу способа для измерения частоты.

Способ измерения чЪстоты заключается в следующем.

„„SU 1613968 А1

2 через фиксированный уровень, формировании квантующих импульсов с образцовой частотой, формировании сигнала, несущего информацию о числе квантующих импульсов, сформированных в интервале времени между импульсами измеряемого сигнала. Дополнительно осуществляют (n-1) задержек сигнала, несущего информацию о количестве квантующих импульсов, и через интервалы времени, равные периоду исследуемого сигнала, произ водят весовое суммир ование и смежных по времени сигналов, задержанных соответственно на (n-j) периодов входного сигнала с весом

8„,, где j = 1,2,...,и. Средний а перйод и частота измеряемого сигнала определямтоя по формулам, приведенным (/) в описании изобретения. 2 ил .

Из входного сигнала (фиг.2а), часМ р . тоту которого измеряют, формируют ко- © роткие импульсы в моменты перехода его (с положительной производной) че- Ch) рез фиксированный уровень, например, нулевой (фиг. 2б). Формируют квантующие импульсы образцовой частоты f> = QQ

1/t (йиг. 2г) . Далее формируют сео рии квантующих импульсов, совпадающих с временными интервалами Т (фиг . 2б) между (i-1) ым и i-ым импульсами из-,3 меряемой частоты. Затем формируют сиг- де нал, несущий информацию о числе К; +1. квантующих импульсов в (i-j+1)-ой серии. Эти сигналы задерживают (n-1) раз на интервал времени Т; +1,р равный соответствующему периоду измеряе1613968 (2) Q2 = 12(2/n(n+1) (n+2), (3)

45 равной статической погрешности известных способов.

Статическая (шумовая) погрешность измерения обусловлена шумами, присутствующими во входном сигнале, шумами формирующих элементов измерителя и, 50 наконец, шумами от квантования. Эта погрешность зависит от суммарной мощностто С шумов, времени усреднения и вида весовой функпии g(t, ь ) (весовых коэффициентов g ), реализуемой и змерителем.

«

Динамическая погрешность — разность между результатами измерения и входмого сигнала. При этом по каждому

i-ому короткому импульсу измеряемого сигнала осуществляют суммирование с весом g oJ+f смежных сигналов, несущих информацию о числе К; >+1 квантующих импульсов в каждой серии, задержанных соответственно на О, 1,2, (n-1) периодов относительно i-ro периода исследуемого сигнала, т.е. измеренное значение среднего периода и частоты исследуемого сигнала полу( б чают п осл е кажд or î >-or о к ор от к ог о импульса измеряемого сигнала соответ| ственно в виде 15 и

Т; = to K -;„g r j t>, (1)

> 1

F. = 1/Т..

Из выражения (1) следует, что в 20 установившемся режиме, т.е. при i n значение Т равно оценке среднего из и периодов измеряемого сигнала, а

"мертвое" время Тм между смежными моментами получения измерительной информации равно Тм = Т, = T.

На весовые коэффициенты g1, +,, для получения несмещенной оценки наклады-!

И вается ограничение ",5 д„= 1.

> 30

Например, при g „..+, = 1/n = const реализуется простейший среднеинтегральный алгоритм с дисперсией статической погрешности измерения, равной

5 = 26 /ЪР, 35 где G — дисперсия погрешности квано тования при измерении одного периода 6,2 = и /12. . При 3 „„1+ = 6)(п-)+1)/п(п+1 и+2 40 имеем оптимальный алгоритм цифрового измерения частоты с дисперсией статической погрешности измерения ной величиной, изменяющейся во времени, при нулевой ста,ической погрешности измерения. Динамическая погрешность зависит от ширины спектра измеренного сигнала, времени усреднения и от интервала квантования измеряемой величины.

Для определения динамической погрешности ЙТ рассмотрим линейную модель изменения периода входного сигнала Т = Т + ibT, где To = const а также будем считать, что в интервалах между моментами получения измерительной информации эа измеренное значение принимается результат измерения

Т, > полученный в предыдущем цикле измерения. Тогда, пренебрегая для простоты статической погрешности, получим

«

ЬТ =Т, — т, = g,;„Т,1— и

3=1 J Ч

««-и и j«i «-j ."п- «! (и

И

-)+>)ьт) — д„, (х, + (i->>>т) =

)=! n) (4)

Сравнение с известныш способами позволяет определить вынгрьпп Q в повышении точности измерения эа счет снижения динамической ошибки

О = nhT/4Т = n.

Для предлагаемого способа динамическая ошибка измерения оказывается в и раз меньше по сравнению с известными способами, благодаря уменьшению

>> >> л мертвого" интервала времени между отсчетами измерительной информации.

Учитывая, что на практике и >) 1 выигрыш в повышении точности получается весьма существенным.

Устройство, реализующее способ измерения частоты (фиг.1)> содержит последовательно соединенные генератор 1 опорной частоты и формирователь 2 квантующих импульсов, а также формирователь 3 импульсов измеряемого сигнала, счетчик 4, элемент 5 задержки, сумматор 6, и умножителей 7, и после довательно соединенных регистров 8 памяти, и последовательно соединенные дешифратор 9 и индикатор 10. Вход формирователя 3 импульсов измеряемой частоты является входом устройства, реализующего способ для измерения частоп ы, выход формирователя импульсов

1613968

Т ° = t С о

55 соединен со входом элемента 5 задержки и со входами синхронизации сумматора 6 и регистров 8 памяти, Выход элемента 5 соединен с входом сброса с ч етчи ка 4, сч етный вход кот ор ог о соединен с выходом формирователя 2 квантующих импульсов, а выход — с входом первого из п последовательно соединенных регистров 8 памяти. Выход каждого регистра 8 памяти соединен с первым входом соответствующего умножителя 7, Вторые входы умножителей 7 подключены к соответствующим кодовым входам устройства, а выходы — к ипЬормационным входам суиматоров 6. Вы-. ход сумматора 6 соединен с входом дешифратора 9.

Входной сигнал, частоту (период) которого необходимо измерить, поступает на формирователь 3 импульсов измеряемой частоты (фиг,2а), на выходе которого образуется поток коротких импульсов, соответствующих моментам перехода сигнала через нулевой уровень с положительной производной (фиг.2б), Эти импульсы поступают на входы синхронизации записи регистров

8 памяти и, через элемент 5 задержки, на вход сброса счетчика 4, На счетный вход счетчика 4 поступают квантующие импульсы с выхода формирователя 2 квантующих импульсов, сформированных из сигнала генератора 1 опорной частоты. Таким образом, i-ый импульс измеряемой частоты переписывает код а, числа К квант ющих импульсов, сфор 1 мированных в интервале времени Т; между (i-1)-ым и i-ым импульсами измеряемой частоты, с выхода счетчика

4, в первый регистр 8 памяти, а код а; числа К,, квантующих импульсов, сформированных в предыдущий интервал времени Т;,, — во второй регистр 8 памяти, код а, 1+, числа К +, квантующих импульсов, сформированных в интервале времени Т; +,, который 1 периодов входного сигнала предшествовал интервалу времени Т,, переписывается в j-ый регистр 8 памяти. По аналогии код а; „+, числа Е; д+„квантующих импульсов, сформированных в интервале времени Т; и+ предшествовавшем и периодам входного сигнала тому назад интервалу времени Т °, переписывается в и-ый регистр 8 памяти. После окончания i-ого импульса входного сигнала коды с выходов регистров 8 памя ти поступают на входы соответствующих умножителей 7, на другие входы которых поступают коды весовых коэффициентов соответственно g<

g „;+,,..., g Коды результатов ум— ножения К, g„, K,, g „... К, «g> ...,К„ „„, „суммируются в сумматоре

6. Следовательно, после i-ого импульса измеряемой частоты на выходе сумматора 6 формируется код числа

И

C, = K; „, g„j+< ° (5)

1=1

Одновр :менно по i-ому импульсу измеряемой частоты код, сд>ормированный на выходе сумматора 6 в предыдущем периоде выходного сигнала, поступает в дешифратор 9, и в индикаторе 10 фиксируется значение Измеренного среднего периода входного сигнала. Поскольку код числа К; +1 образуется путем счета квантующи:: импульсов с периодом t в течение интервала. времени между (i — j)-ым и (i-j+1) импульсами измеряемой частоты, т.е. в тече пие интервала Т; 1, то оценки соответственпо периода и частоты измеряемого сигнала получаются в виде

f = 1/t С, . (6) Данное устройство реализует предлагаемый способ измерения частоты, в котором задержку кодов а, осуществляют (n-1) регистров 8 памяти, которые могут быть выполнены, например, в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) . В этом же ОЗУ могут быть размещены коды весовых коэффициентов

g Умножители 7 и сумматор 6 могуб быть реализованы, например, в виде центрального процессорного элемента (1 ЧЭ) на базе микропроцессорного комплекса (ИПК) . Регистр 8 памяти, стоящий непосредственно на выходе счетчика 4, спурт для хранения кода а, числа 1;„ квантующих импульсов, chopмированных в интервале времени Т,, так как счетчик 4 непосредственно после окончания i-oro импульса измеряемого сигнала начинает счет квантующих импульсов, формируемых в интервале времени Т; 1, примыкающем к интервалу времени Т; . Среднее время между моментами формирования кода результата измерения на выходе сумматора 6 равно периоду Т измеряемого сигнала при времени усреднения ь пТ.

Таким образом, благодаря использованию дополнительных операциИ осу16 13968 ществлению (n-1) задержек кода а, числа К квантующих импульсов, за фиксированных за i-ый период Т,, из меряемого сигнала и весового суммиро5 вания с весом g ><< кодов à < 1+l,,задержанных соответственно на О, 1, :2,...,n-j,...,n-1 периодов предлагаемый способ измерения частоты позво ляет существенно (на несколько поряд-1р ( ( ков) по сравнению с известным повысить точность измерения за счет уменьшения динамической погрешности ( при той же статической погрешности

| и змер ения . 15

Известный способ цифрового измере ния частоты характеризуется тем, что числовые значения измеряемой величи-! ны формируются в моменты времени, разделенные интервалом времени усред- зп нения Ф, т.е. имеет место дополнительная дискретизация измеряемой веФЬ личины во времени с интервалом а который во многих случаях существенно превышает максимально допустимый ин- 25 тервал временной дискретизации, опр еделяемой теор емой ° Й.А. Котельникова .

Представленный способ измерения частоты обеспечивает возможность формирования перекрывающихся интервалов времени усреднения ь,, последовательно сдвинутых во времени на один пери, од входного сигнала. Следовательно, числовые отсчеты результата измерения в способе следУют дРуг с другом с ин- З5 тервалом времени, равным периоду входного сигнала, т.е. в данном способе отсутствует паразитная методическая временная дискретизация измеряемой величины с интервалом ь, и обеспечи- 4О л вается снижение динамической погрешности измерения в п раз, где n - число усредняемых периодов входного сигнала, бормулаизобретения

Способ измерения частоты, основанный на формировании коротких импульсов в моменты перехода с положительнойй пр ои з вод ной сиг наЛа и змер я емой частоты через фиксированный уровень, формировании квантующих импульсов образцовой частоты Е = 1/t,,формировании серий квантующнх имйульсов обра эцовой част оты, образуемых в смежных временных интервалах, эаключенных между сформированными короткими импульсами измеряемой частоты, а также на весовом суммировании серий квантующих импульсов, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерении серий квантующих импульсов, в каждой из которых содержится К,; +,. импульсов образцовой частоты, дополнительно (и-1) раз задерживают на интервал времени

Т„ ., равный соответствующему периоду измеряемого сигнала, через интервалы времени, равные периоду изме„ряемого сигнала, осуществляют суммирование смежных и серий квантующих импульсов, задержанных соответственно, на (n-j) периодов измеряемого

cHrH a с весом gn-)ì ° де j = 192

°...n, n — число периодов измеряемого сигнала, а средний период Т; и среднюю частоту Р измеряемого сигнала определяют по формулам п

0 -j+l g n-)+ф 1

1/T °

1613968

Составитель 10.Минкин

Редактор И, Сегляник Техред Л.Олийнык

Корректор A.Îáðó÷àð

Заказ 3891 Тираж 557 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101