Цифровое измерительное устройство для обработки сигналов частотных датчиков

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для линеаризации характеристик измерительных трактов вибрационно-частотных датчиков. Цель изобретения - повышение точности - достигается за счет уменьшения погрешности линеаризации характеристик измерительного тракта. Устройство содержит входной формирователь 1, формирователь 2 измерительного интервала, счетчик 16 нечетных чисел, шину 17 установки в единичное состояние, регистры 18 и 22 памяти, шины 19, 24 и 27 предварительной установки кода, комбинационные сумматоры 20 и 21, схему 25 совпадения, счетчик 26 результата , блок 28 цифровой индикации. Формирователь 2 измерительного интервала содержит счетчик 3 периодов, шины 4 и 13 предварительной установки кода, одновибратор 5. блоки 6 и 10 выделения заднего и переднего фронтов измерительного интервала соответственно, Т-триггер 7, элементы 8 и 14 совпадения, SR-триггер 9, элемент ИЛИ 11, вычитающий счетчик 12, кварцевый генератор 15. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. СО с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4651162/21 (22) 13.02.89 (46) 30.06.91. Бюл. 1ч . 24 (71) Азербайджанский институт нефти и химии им. М. Азизбекова (72) Т.M. Алиев, Т.M. Вердиев, Л.3. Измайлова и 3.А. Тургиев (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 560186, кл, G 01 R 23/00, 1977.

Авторское свидетельство СССР

М 1247770, кл. G 01 R 23/00, 1986. (54) ЦИФРОВОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

ЧАСТОТНЫХ ДАТЧИКОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для линеаризации характеристик измерительных трактов вибрационно-частотных

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для линеаризации характеристик измерительных трактов вибрационно-частотных датчиков, имеющих функцию преобразования вида у= aT>2+ bt>+ с, (1) где у — измеряемая физическая величина;

tx — текущее значение периода электрических колебаний на выходе датчика; а, Ь, с — градуировочные константы датчика.,, Ы„, 1659891 А1 (51)5 G 01 R 23/00, Н 03 К 3/02 датчиков. Цель изобретения — повышение точности — достигается за счет уменьшения погрешности линеаризации характеристик измерительного тракта, Устройство содержит входной формирователь 1, формирователь 2 измерительного интервала, счетчик

16 нечетных чисел, шину 17 установки в единичное состояние, регистры 18 и 22 памяти, шины 19, 24 и 27 предварительной установки кода, комбинационные сумматоры 20 и

21, схему 25 совпадения, счетчик 26 результата, блок 28 цифровой индикации. Формирователь 2 измерительного интервала содержит счетчик 3 периодов, шины 4 и 13 предварительной установки кода, одновибратор 5, блоки б и 10 выделения заднего и переднего фронтов измерительного интервала соответственно, Т-триггер 7, элементы

8 и 14 совпадения, SR-триггер 9, элемент

ИЛ И 11, вычитающий счетчик 12. кварцевый генератор 15. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Целью изобретения является повыше- Л ние точности, что достигается за счет повы- Q шения точности линеаризации при QQ компенсации дестабилизирующих факто- К) ров известными приемами. и

На фиг. 1, 2 представлены графики, поясняющие работу устройства; на фиг. 3— схема устройства; на фиг. 4 — диаграммы, поясняющие работу устройства. —.й

Выражение (1) может быть приведено к следующему виду (фиг. 1. 2): у1= ах1, (2) где

4ас — Ь

Ь у1 =у: х> Т„-(- — ) 1659891

Для реализации выражения (2) цифровым устройством оно представляется уравнением следующего вида:

Гпа

П У1 (f() М)2 (f() М х1)2 где гп - 10 — масштабирующий коэффициент;

fo=10 — образцовая частота;

h+1

M=10 — количество квантуемых периодов;

1 — показатель степени, обеспечивающий требуемый масштаб представления результата преобразования;

h — число используемых десятичных разрядов представления результата;

g — число разрядов счетчика периодов.

Значения I, h, g выбираются из натурального ряда чисел. Обозначив

z = ent(my1); — = ent ();

1 ma

2р (fo My"x = ent(foMxi) = епфо МЦ- (— йд):

Na =ent(2, 1

f0 МЬ где ent () — оператор выделения целой части числа, находящегося в скобках, получим целочисленное представление канонического уравнения параболы в следующем виде:

2pz= х, (3) о M где р= ent ()- целочисленный napa2ma метр (расстояние от фокуса до директрисы параболы).

Алгоритм, воспроизводящий траекторию параболы, можно записать в форме следующих рекуррентных соотношений:

S1= 1 — р

Бн.1= 5 + 2х1 + 3

t Si+2xi+3-2ð, если Sl < О, выполнить Ч1 если Si Ж, выполнить Ч2, (4) где S1 — значение вспомогательной функции для определения направления при выполнении первого шага; р- целочисленный параметр параболы;

$н.1, St — значения вспомогательной функции на текущем и предыдущем шагах; х — дискретное текущее значение аргумента параболы;

V1 — вектор, определяющий перемещение на один шаг вдоль оси Х: (Х + 1);

V2 — вектор,. определяющий диагональное перемещение при выполнении единичных шагов вдоль осей х и z одновременно (Xi + 1, а + 1), Выбор в качестве элементарных шагов векторов V1 и V2 налагает некоторые огра10

55 ничения на крутизну воспроизводимого участка параболы, Наибольшая крутизна в этом случае не может превысить крутизну вектора V2, угол наклона которого оси х составляет 45О, а угловой коэффициент не должен превышать единицу (tg 45О), = — 1, 12х

2р откуда о

Таким образом выражение (4) сохраняет работоспособность при нахождении параболы в пределах 1-го октанта системы координат х-z, при изменении аргумента xi в интервале (О, р). Случаи выхода параболы (3), обращенной выпуклостью вниз (то есть при p>0), за пределы 1-ro октанта могут быть сведены к рассмотренному выражению растяжкой масштаба по оси х.

Устройство содержит входной формирователь 1, формирователь 2 измерительного интервала, состоящий из двоична-десятичного счетчика 3 периодов с шиной 4 предварительной установки кода. одновибратора 5, блока 6 выделения заднего фронта импульса измерительного интепвала,Т-триггера 7, трехвходового элемента 8 совпадения, SR-триггера 9, блока 10 выделения переднего фронта импульса измерительного интервала, элемента ИЛИ 11, вычитающего двоично-десятичного счетчика 12 с шиной 13 предварительной установки кода. двухвходового элемента 14 совпадения и кварцевого генератора 15. счетчик 16 нечетных чисел, шину 17 установки в единичное состояние, регистр 18 памяти с шиной 19 предварительной установки кода, комбинационный сумматор 20, накапливающий сумматор, состоящий из комбинационного сумматора 21 и регистра 22 памяти со знаковым разрядом 23 и шиной

24 предварительной установки кода, элемент 25 совпадения, двоично-десятичный счетчик 26 результата с шиной 27 предварительной установки кода и блок 28 цифровой индикации.

Устройство содержит последовательно соединенные входной формирователь 1. вход которого является входом подключения частотного датчика. формирователь 2 измерительного интервала и счетчик 16 нечетных чисел, установочный вход младшего разряда которого соединен с шиной 17 установки в единичное состояние, кодовые выходы счетчика 16 нечетных чисел соединены с кодовыми входами слагаемого комбинационного сумматора 20, вход младшего разряда слагаемого сумматора 20 подключен к шине 17 установки в единичное состояние, кодовые входы другого слагаемого сумматора 20 соединены с кодовыми выхо1659891

15 ноаки кода, а кодовые выходы — с кодовыми 20 входами блока 28 цифровой индикации, 40 входом сброса Т-триггера 7, входом злемен- 55 та ИЛИ 11 и входами установки исходных дами регистра 18 памяти, кодовые входы которого соединены с шиной 19 предварительной установки кода, выход суммы сумматора 20 связан с входами первого слагаемого сумматора 21, выход суммы сумматора 21 связан с кодовыми входами регистра 22 памяти; кодовые выходы регистра

22 памяти соединены с входами второго слагаемого сумматора 21, кодовые входы регистра 22 памяти подключены к шине 24 предварительной установки кода, инверсный выход знакового разряда 23 регистра

22 соединен с входом элемента 25 совпадения и входом управления выдачей информации из регистра 18 памяти, выход элемента

25 совпадения подключен к входу счетчика

26 результата, кодовые входы которого соедйнены с шиной 27 предварительной уставход счетчика 16 нечетных чисел соединен с вторым входом элемента 25 совпадения, второй выход формирователя 2 измерительного интервала соединен с входами управления предварительной установкой счетчика 16 нечетных чисел, регистров 18, 22 памяти и счетчика 26 результата.

Формирователь 2 измерительного ин.-тервала содержит последовательно соединенные счетчик 3 периодов, вход которого является входам формирователя измерительного интервала и соединен с выходом входного формирователя 1, Т-триггер 7, двухвходовый элемент 14 совпадения, вычитающий-счетчик 12, элемент ИЛИ 11, SR-: триггер 9 и трехаходовый элемент 8 совпадения, кодовые входы счетчика 3 периодов и вычитающего счетчика 12 соедине-" ны соответственно с шинами 4 и 13 предварительной установки кода, выход кварцевого генератора 15 соединен с первым входом двух- и третьим входом трехвходового элементов 8, 14 совпадения соответственно, выход Т-триггера 7 соединен с первым входом трехвходоаого элемента 8 совпадения, с входом блока 10 выделения переднего фронта импульса измерительного интервала, выходом подключенного к установочному входу SR-триггера

9, с входом блока 6 выделения заднего фронта импульса измерительного интервала, выход которого соединен с входом одновибратора 5, выход которого соединен с состояний счетчиков 3 и 12, а также является вторым выходом формирователя 2 измерительного интервала.

Устройство работает следующим образом.

Линеаризации предшествует установка на кодовых входах счетчика 3 периодов, аычитающего счетчика 12, регистров 18 и 22 памяти и счетчика 26 результата с помощью шин 4, 13, 19, 24 и 27 предварительной установки кода соответственно кодов констант выражения (4):

M 1=10 — 1; NA =ent();

I fo Mb — 2р =ent(-);1 — р =1 — ent(); (tî " . fî M

2m a 2ma еЬ -4aci — zA =ent() °

) в счетчик 26 ре-zA= ent зультата. Эти процедуры соответствуют установке начала шкалы устройства, то есть расположению его в точке А (фиг. 1), Далее измеряемый сигнал с периодом

Тх (фиг. 4), подаваемый на входной формирователь 1, преобразуется в нем в прямоугольные импульсы с периодом следования

Тх (фиг. 4, вых. бл. 1), которые затем постуКа входах младших разрядов счетчика

16 нечетных чисел и первого слагаемого сумматора 20 с помощью шины 17 устанавливается потенциал логической "1" (лог. "1").

Цикл линеаризации начинается с появления на первом выходе формирователя 2 измерительного интервала импульса "Сброс", устанавливающего в исходные состояния все блоки устройства. Этот импульс вырабатывается на выходе одновибратора 5 при включении источника питания, а также в начале каждого нового цикла линеаризации. Импульс "Сброс" записывает код максимально возможного числа M — 1=10 — 1, I подготовленный на шине 4, предварительной установки.кода в счетчик 3 периодов. то М4 код числа . NA — 1 = ent() — 1, 2а подготовленный на установочной шине 13, в аычитающий счетчик 12, обнуляет Т- и

SR-триггеры 7 и 9 соответственно, записывает единицу, подготовленную на шине 17, в младший разряд счетчика 16 нечетных чисел. остальные разряды которого сбрасываются в ноль, записывает код числа

2 — 2 =ent(fo M

). подготовленный на

ma шине 19 предварительной установки кода в регистр 18 памяти. записывает код числа .fî M

1 — р = 1 — ent (), подготовленный

2ma нэ шине 24 предварительной установки кода, е регистр 22 памяти, а также код числа

1659891 пают на вход счетчика 3 периодов, являющийся входом формирователя 2 измерительного интервала. Первый же импульс, пришедший на вход счетчика 3 периодов с выхода входного формирователя 1 после 5 окончания действия импульса "Сброс" (фиг, 4, вых. бл. 1, вых. бл. 5), переполнит счетчик

3 периодов, а импульс переполнения своим передним фронтом установит Т-триггер 7 в единичное состояние (фиг. 4, вых.бл, 7). Т- 10 триггер 7 в единичном состоянии находится до тех пор, пока счетчик 3 периодов не сосчитает М=10 периодов измеряемого сигна1 ла Т>, последний из которых (M-й) переключит Т-триггер 7 в нулевое состоя- 15 ние, B итоге на единичном выходе Т-триггера 7 будет сформирован импул ьс измерительного интервала длительностью

Т= МТ>. От переднего фронта импульса измерительного интервала срабатывает эле- 20 мент 10 выделения переднего фронта (фиг.4, вых.бл. 10), устанавливающий инверсное плечо SR-триггера 9 в нулевое состояние (фиг. 4, вых.бл. 9), Одновременно с этим измерительный интервал Т=МТ> на время 25 своего действия разрешает прохождение импульсов образцовой частоты тоот кварцевого генератора 15 через элемент 14 совпадения на вход вычитающего счетчика 12 . (фиг. 4, вых.бл. 15), в котором эапи- 30

fg Mb сан код NA-1= cot () — 1. Импульс

2а переполнения (NA-й) вычитающего счетчика

12, возникающий после досчета до нуля, пройдя через элемент ИЛИ 11, переведет 35 инверсное плечо SR-триггера 9 в первоначальное единичное состояние, В итоге на инверсном плече SR-триггера 9 будет сформирован временной интерMb 40 вал Тд = —, который далее (фиг. 4, вх.бл.

2а

9) вычитается из измерительного интервала

Т=МТх(фиг; 4, вх.бл. 7) с помощью элемента

8 совпадения, а разность h,Т= Т-ТдМ (Т вЂ” — )(фиг.6, вых.бл. 8 при fo=1}

Ь 45 х 2а заполняется импульсами образцовой частоты fe, образуемой кварцевым генератором

15. Таким образом, на выходе элемента 8 совпадения формируется пачка импульсов 50 х в количестве xp- foM (Тх — — )(фиг. 4, Ь

2а вых.бл, 8), которая поступает на вход счетчика 16 нечетных чисел, вход записи информации в регистр 22 памяти и вход элемента 55 совпадения 25, К моменту поступления пер- вого импульса на вход счетчика 16 нечетных чисел в нем, как уже отмечалось выше, записана единица. Счетчик 16 имеет на один разряд меньше, чем сумматоры 20. 21 и регистры 18 и 22 памяти. содержащие no n разрядов. Сумматоры 20, 21 являются сумматорами, работающими в дополнительных кодах. При этом положительные числа кодируются нулем в знаковом разряде, а отрицательные и ноль-единицей. В целях обеспечения простоты реализации сумматоры 20 и 21, а также относящиеся к ним регистры 18 и 22 памяти целесообразно выполнить работающими в двоичных кодах.

Кодовые входы и-1 разрядов счетчика 16 подключены к и-1 старшим разрядам кодовых входов первого слагаемого сумматора

20, на первый (младший) разряд которого от кодовой шины 17 подан потенциал логической "1" (лог. "1"). Благодаря такому включению на вход первого слагаемого сумматора

20 подаются нечетные числа, определяемые выражением Ni=2xi+ 3, где х =б,р. Перед поступлением первого импульса, то есть когда в регистре 22, являющемся регистром хранения текущего значения вспомогательной функции Si, содержится ее начальное значение S>=1 — р, равное отрицательному числу (поскольку р»1), вследствие чего на инверсном выходе знакового разряда 23 регистра

22 будем иметь логический "0", запирающий элемент 25 совпадения на входе счетчика 26 результата и вход разрешения выдачи информации из регистра 18, что соответствует подаче на вход второго слагаемго сумматора 20 нулевого числа. В итоге на выходе сумматора 20 появляется двоичный код числа "3" (000...011)г, алгебраически суммируемый с отрицательным числом S>=1-ð, после чего на выходе сумматора 21 образуется новое значение вспомогательной функции

Sz=S>+3=4-р, которое затем после поступления первого импульса на вход записи информации регистра 22 переписывается в этот регистр. Таким образом, если S, (О. вычисления будут выполняться по первой ветви выражения (4) $н -$г+2х +3 (фиг. 3, блоки 6, 7). Как только $ с станет равным нулю или положительным числом (то есть если $1 Щ, на инверсном выходе знакового разряда 23 регистра 22 появится логическая

"1", которая откроет элемент 25 совпадения на входе счетчика 26 результата, а также вход разрешения выдачи информации из регистра 18. что приводит к подаче второго слагаемого (-2р) на вход сумматора 20. В этом случае вычисления будут выполняться по второй ветви выражения (4)

Si+)Si+2x)+3-2р).

Пока Si М, элемент 25 совпадения остается открытым и импульсы xl поступают на

1659891

10 вход счетчика 26 результата, Таким образом, к концу измерительного интервала

hT-- M (Тх — — ) на вход счетчика 26 реэульb

2а тата поступит некоторое дозированное в со- 5 ответствии с выражением (4) количество

1 импульсов zi = ent (— х ). Эти импульсы, 2р сложившись с дополнительным кодом числа

m 4ас — b 10

zA =ent(4а

), ранее установлен-. ным в счетчике 26 результата, образуют результат преобразования г=гггд относительно оси Т, (фиг. 1). Ассоциируя счетчик 16 нечетных чисел с х-регистром (ось Х), а счетчик 26 результата — с z-регистром (ось г), можно заключить, что при реализации выражения (4) из начала системы координат x — z (точка А) строится траектория правой ветви параболы (3) путем выполнения элементарных шагов, определяемых единичными векторами V1(xi+1) и Чг(х + 1;

zi+1). 8 конечном итоге результат преобразования, находящийся в счетчике 26 результата, поступает дпя отображения в блок 28 25 цифровой индикации.

Следующий цикл линеаризации начинается появлением очередного импульса

"Сброс", вырабатываемого на выходе одновибратора 5 (фиг. 4, вых.бл. 5). запускающе- З0 гося блс".ом 6 выделения заднего фронта импульса измерительного интервала (фиг. 4, вых.бл. 6).

Высокая. точность предлагаемого устройства, обусловленная тем, что абсолют- З5 ная погрешность преобразования (1) не превышает «+0,5 единицы шага разрядно. сти входной информации, позволяет расширить группу используемых дпя совместной работы частотных датчиков вибрационно- 40 частотными датчиками с электромеханиче-. скими колебательными системами (применяемыми, например, при измерении плотностей жидкостей и газов), требующими устройств линеаризации повышенной точности.

Формула изобретения

1. Цифровое измерительное устройство 50 для обработки сигналов частотных датчиков, содержащее последовательно соединенные входной формирователь измерительного интервала и счетчик нечетных чисел, последовательно соединенные элемент совпадения, счетчик результата и блок индикации, а также шину установки в единичное состояние, соединенную с уста.новочным входом младшего разряда счетчика нечетных чисел, причем кодовые входы счетчика результата соединены с первой установочной шиной, а вход входного формирователя соединен с входом устройства, о тлича ющееся тем,что,сцельюповышения точности, в него введены вторая и третья установочные шины, первый и второй комбинационные вумматоры, первый регистр памяти, второй регистр памяти, кодовые входы которого соединены с третьей установочной шиной и выходом второго комбинационного сумматора, инверсный выход знакового разряда соединен с первым входом элемента совпадения и входом первого регистра памяти. а кодовый выход соединен с вторым входом второго комбинационного сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого комбинационного сумматора, вход младшего разряда последнего соединен с шиной установки в единичное состояние, второй вход соединен с выходом счетчика нечетных чисел, а первый вход — с выходом первого регистра памяти, кодовый вход которого соединен с второй установочной шиной. а вход сброса соединен с вторым выходом формирователя измерительного интервала и входом сброса счетчика нечетных чисел, второго регистра памяти и счетчика результата; причем второй вход элемента совпадения соединен с первым выходом формирователя измерительного интервала и входом счетчика нечетных чисел, 2. Устройство по п,1, отп и ча ю щеес я тем, что формирователь измерительного интервала выполнен в виде первой и второй шин предварительной установки кода, счетчика периодов, Т-триггера, первого элемента И, блока выделения переднего фронта измерительного интервала SR-триггера, последовательно соединенных кварцевого генератора. второго элемента И, вычитающего счетчика и элемента ИЛИ, а также последовательно соединенных блока выделения заднего фронта измерительного интервала и одновибратора, выход которого соединен с вторым выходом формирователя измерительного интервала, с вторым входом элемента ИЛИ и входами сброса Т-тригtepa, вычитающего счетчика и счетчика периодов, вход которого соединен с входом формирователя измерительного интервала, кодовый вход соединен с первой шиной предварительной установки кода, а выход— с входом Т-триггера, выход которого соединен с входом- блока выделения заднего фронта измерительного интервала, вторым входом второго элемента И, первым входом первого элемента И и входом блока выделения переднего фронта измерительного ин3659891

12 тервала,выход которого соединен с S-входом SR-триггера, R-вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход — с вторым входом первого элемента И, третий йход которого соединен с выходом кварцевого генератора, а выход соединен с первым выходом формирователя измерительного интервала, причем кодовый вход вычитающего счетчика соединен с второй шиной

5 предварительной установки када.

1659891

1659891 йище и 8 ври,У

>i =В Уо

ЮИА, Й.8

Редактор Т.Лошкарева

Заказ. 1841 Тираж 444 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Boix Й,У

Составитель А.Дворников

Техред M,Mîðãåíòàë Корректор M.Äåì÷èê