Измеритель длительности импульсов

 

Применение, устройство относится к измерительной технике, в частности к измерителям временных интервалов. Сущность изобретения, устройство содержит два фильтра, два аналого-цифровых преобразователя , две схемы сравнения, четыре коммутатора , четыре регистра, генератор тактовых импульсов, счетчик, два вычитателя с соответствующими связями. 6 ил

г ж>3 соВГ1ских

СХГЦИЛЛИСЕИЧР СКИХ

F E. СЕ1УЬ)1ИК

Е1(11 G 01 R 29/02

ГОСУДЛРСТВЕ 1411()Г Г1Л1ЕЕ4 Г1ЮГ

Е11гДГ)МСТВО СССР (ГГ)С11Л ЕГ Н! СЕ1СF j

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4933194/21 (22) 01.04.91 (46) 30.06.93. Бюл. N". 24 (71) Центральный научно-исследовательскии институт радиоэлектронных систем (72) В.И.Симонов и А.А Чижов (56) Мирский Г,Я. Электронные измерения.

М.: Радио и связь, 1986, с.112, Дворяшин Б.В, и Кузнецов Л.И. Радиотехнические измерения M Советское радио. 1978 с.105.

Изобретение относится к измерительной технике, в <астности к измерителям временных интервалов.

Цель изобретения повышение точности измерения г„.

На фиг.1 изображена схема измерителя; на фиг.2 — схема фильтра первого форми рователя; на фиг.3 — схема фильтра второго формирователя; на фиг.4, 5 — временные диаграммы, поясняющие работу измерителя: на фиг.б — временные диаграммы, поясняющие наличие положительного эффекта.

Устройство (фиг.1) содержит: 1, 2 фильтр; 3, 4 — аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 5, б — схема сравнения; 7, 8— коммутатор; 9, 10 — регистр; 11, 12 -- коммутатор; 13, 14 — регистр: 15 — генератор тактовых импульсов (ГТИ): 16 — счетчик; 17, 18 — вычитатель; 19, 20 — формирователь; 21, 22 — блок регистрации времени (БРВ), Фильтры 1, 2 (фиг.2, 3) соответственно содержат: 23, 24 — линия задержки (ЛЗ); 25, 26 — усилитель. 27. 28 — сумматор.

При этом последовательно соединены первый формирователь 19 и первый БРВ 21, ., SU ÄÄ 1824597 А) (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИГЕЛЬНОСЕИ ИМПУЛЬСОВ (57) Применение. устроиство относится к измерительнои технике, в частности к измерителям временных интервалов. Сущность изобретения, устройство содержит два фильтра, два аналого-цифровых преобразователя, две схемы сравнения, четыре коммутатора. четыре регистра, генератор тактовых импульсов. счетчик, два вычитателя с соответствующими связями. 6 ил. а также второй формирователь 20 и второй

БРВ 22. Входом измерителя являются объединенные входы формирователей 19, 20.

Выходы БРВ 21, 22 соединены с первым и вторым входами соответственно первого вычитателя 17, последовательно соединенного с вторым входом второго вычитателя

18, к первому входу которого подключена шина установки начального кода. Выход С0 второго вычитателя является выходом изме- с в) рителя. Крометого, выходгенераторатакто Д вых импульсов 15 соединен с первым и д вторым управляющими входами первого 19 и второго 20 формирователей, со счетным входом счетчика 16 и входами записи первого 13 и второго 14 регистров соответственно 1

1 первого 21 и второго 22 БРВ. Каждый фипвтр 1, 2 (фиг.1-3) состоит соответствен-, в но иэ N-отводной линии задержки 23, 24. входы которых являются входами фильтров

1, 2, Линия задержки обеспечивает шаг задержки ht и общее время задержки Nht. Шаг задержки ht выбирается из условия достижения требуемой точности измерения т„, а об1824597 щее время задержки N At выбирается равным максимальной величине длительности импульса, измерение которого предполагается осуществлять, В фильтре 1 вход ЛЗ и все промежуточные выходы, кроме последнего, подключены к сумматору 27 непосредственно, а последний выход ЛЗ вЂ” через усилитель 25, Аналогично в фильтре 2 все выходы ЛЗ подключены к сумма1ору 28 непосредственно. а вход ЛЗ вЂ” через усилитель

26, Усилители 25, 26 имеют коэффициент усиления, равный двум, а сумматоры 27, 28 имеют N+1 вход каждый, Выходы сумматоров 27, 28 являются выходами фильтров 1, 2 соответственно и подключены к АЦП 3, 4 в каждом канале соответственно. Тактовая частота FT ГТИ выбирается из условия

Гт =- 1/ At

АЦП преобразует поступающее на его вход с выхода фильтра напряжение иэ аналоговой формы в цифровую. На выходе АЦП формируется m-разрядный код, поступающий на схему сравнения 5, 6 и коммутатор

7, 8, На элементах 5, 7, 9 первого 19 и 6, 8, 10 второго 20 формирователей реализуется схема, осуществляющая последовательную процедуру выбора максимального значения.

6РВ каждого канала состоит из коммутаторов 11, 12 и регистров 13, 14. На входы записи регистров 13, 14 поступает тактовая частота с выхода ГТИ .15. БРВ регистрирует время, выделения максимального значения напряжения, выбранного в формирователе, Схема измерителя длительности импульса работает следующим образом:

В начале процедуры измерения длительности импульсы регистры 9, 10 (фиг,1) формирователей 19, 20 соответственно, регистры 13, 14 блоков регистрации времени

21, 22 соответственно и счетчик 16 устанавливаются в нуль импульсом, поступающим на их входы "Установка в нуль" от схемы

"Обнуление по включению". Схема "Обнуление па включению" на фиг.1 не показана. На выходе вычитателя 17 в начале процедуры измерения устанавливается нулевой код, соответствующий длительности ти = О, так как операции вычитания подвергаются нулевые значения кодов, записанных "йо включению" в регистры 13, 14. На выходе вычитателя 18 в начале процедуры формируется значение кода, соответствующее длительности Т», На втором входе схемы сравнения 5 формирователя 19 с выхода регистра 9 и на втором входе схемы сравнения 6 формирователя 20 с выхода регистра

10 "По включению" устанавливается начальное пороговое напряжение 0 = О.

Схема работает следующим образом, Входной сигнал поступает на два фильтра 1 (фиг.1, 2) и 2 (фиг.1, 3).

Импульсные переходные функции К 1, 2 (t) фильтров 1, 2, а также их реакции в(UBblx 1,2 (t), 0вых 1,2 (t) 0внх 1,2 (t)

10 на входные воздействия

0вх (t), 0вх (t), 0вх (t) 45 1м1 tMq = Т„, — ги (2) что позволяет вычислить r< по данным tMi u мг.

С выхода фильтров 1, 2 выходные сигна50 лы Ueex)(t) и 0вв,х (с) поступают на АЦП 3 и

АЦП 4 соответственно.

Для обеспечения работы АЦП 3 и 4 на их вспомогательные входы поступает тактовая

55 частота Рт, причем F> = 1/ Ж

На выходах АЦП 3 и 4 будут формироваться коды напряжений с выходов фильтров 1 и 2 соответственно, которые в цифровом виде (m — разрядный код) с периодом следования, равным ht = 1/F>, постусоответственно изображены на фиг.4, 5, Специальный вид переходных функций

K (t) и К2(t), имеющих "пьедестал" и "вершины", расположенные на разных концах "пьедестала" для Ki(t) и Kz(t), приводит к тому, что: при любой длительности входного импульса — от Минимальной для Овх (t) и до максимальной для Uex (t) — реакция фильтра на их воздействия имеют один единственный локальный максимум, что позволяет говорить о максимуме выходного сигнала фильтров

М1 — для фильтра 1;

М2 — для фильтра 2.

30 Максимумы М1 и М2 реакций 1-го и 2-го фильтров оказываются привязанными к переднему фронту входного импульса, причем момент появления тм1 на выходе 1-го фильтра сдвинут. относительно переднего фронта входного импульса на время, равное ТЯ3, а момент появления тм2 максимума М2 на выходе 2-го фильтра сдвинут относительно переднего фронта входного импульса на время, равное длительности импульса t,, 40 Отсюда можно заключить, что моменты

tM1, tM2 появления максимумов М1, М2 сдвинуты относительно друг друга на время, равное

1824597 ментов.

55 пают соответственно на схемы сравнения 5, 6 и коммутаторы 7, 8.

Процессы, проходящие в элементах 5, 7, 9 и 6, 8. 10, аналогичны. Рассмотрим процедуру выбора максимума, осуществляемую в формирователе 19.

На первый вход схемы сравнения 5 поступает текущее значение напряжения, выделенное фильтром 1 и преобразованное

АЦП 3. На второй вход схемы сравнения 5 поступает напряжение. хранящееся в регистре 9, которое в начале процедуры устанавливается равным нулю по включению. На выходе схемы сравнения 5 вырабатывается напряжение лог. "0" или лог. "1" в зависимости от того, какая из двух сравниваемых величин больше.

Если с выхода АЦП 3 поступает напряжение больше, чем записанное в регистре

9, то на выходе схемы сравнения 5 вырабатывается напряжение, поступающее на управляющий вход коммутатора 7, под действием которого выход АЦП 3 соединяется с входом регигтра 9. Г1од действием тактовой частоты F>. поступающей с выхода генератора 15 на вход записи регистра 9, вновь поступившее с АЦП 3 значение напряжения запишется в регистре 9.

В следующем отрезке времени, равном

Лс, вновь поступившее с АЦП 3 напряжение будет сравниваться с напряжением, ранее записанном в регистре 9, в данном случае с предыдущим. Если вновь поступившее значение оказалось, например, меньше, чем ранее записанное в регистре 9, то на выходе схемы сравнения вырабатывается напряже- ние, поступающее на управляющий выход коммутатора 7,под действием которого выход регистра 9 соединится с его входом. Под действием тактовой частоты F ранее записанное в регистре 9 значение вновь переписывается в него.

Таким образом, если вновь поступившее с АЦП 3 значение напряжения превышает по величине ранее записанное в регистре 9, то в регистре 9 записывается новое значение. Если новое значение напряжения, поступившее с АЦП 3, не превышает ранее записанное, то в регистре 9 регенерируется старое значение, Таким образом, к концу процедуры в регистре 9 будет находиться максимальное эа все время процедуры выделенное фильтром 1 напряжение. т.е. реализуется последовательная процедура выбора максимального значения.

Все выше сказанное относительно процедуры выбора максимума в формирователе 19 в равной степени справедливо для формирователя 20 с учетом разницы в нумеI

45 рации составляющих его отдельных элементов.

С выхода схемы сравнения 5 формирователя 19 управляющее напряжение поступает на коммутатор 11 блока регистрации времени 21. С выхода схемы сравнения 6 формирователя 20 управляющее напряжение поступает на коммутатор 12 блока регистрации времени 22. Блоки регистрации времени 21 и 22 фиксируют моменты выделения максимального значения в формирователях 19, 20 соответственно и работают соответственно под их управлением.

Блоки регистрации времени 21. 22 выполнены аналогично. Рассмотрим фаботу блоков регистрации времени на примере

БРВ 21.

Выход регистра 13 и выход счетчика 16 подключены к входам коммутатора 11, на управляющий вход которого приходит управляющее напряжение со схемы сравнения 5 формирователя 19.

В начале процедуры регистр 13 был "установлен в нуль" от схемы "обнуления по включению".

С приходом каждого тактового импульса F . счетчик 16 изменяет свое состояние.

На его выходе каждый период ht меняется код времени. В те моменты времени, отсчитываемые счетчиком 16, когда с выхода АЦП

3 поступает напряжение, превышающее по величине ранее записанное в регистре 9, в

БРВ 21 под действием управляющего сигнала, поступающего со схемы сравнения 5, выход счетчика 16 соединяется через коммутатор 11 с регистром 13, Под действием тактовой частоты F значение счетчика 16 записывается в регистр 13.

В те моменты времени, когда с выхода

АЦП 3 поступает напряжение, не превышающее ранее записанное в регистре 13, в нем регенерируется ранее зафиксированное значение времени (кода).

Все выше сказанное относительно блока регистрации времени 21 в равной степени справедливо для 6РВ 22 с учетом разницы в нумерации составляющих элеПосле окончания входного импульса на выходе вычитателя 17 формируется значение кода, соответствующее разнице во времени hT выделения максимального

-значения в фррмирователе 19 tMi и времени выделения максимального значения в формирователе 20 смг.

ЛТ = смс — смг, (3) при этом на выходе вычитателя 18 сформируется код времени, соответствующий длительности измеряемого импульса г, 1824597 гн =Тлэ- AT (4) Для доказательства положительного эффекта необходимо конкретизировать вид фильтров прототипа. Учитывая их назначе- 5 ние — формирование коротких вспомогательных импульсов в моменты времени, совпадающие с передним и задним фронтом входного импульса, можно предположить, что основной математической 10 операцией, реализуемой этими фильтрами и определяющей их свойство, является дифференцирование входного импульса. Ввиду большого разнообразия схемных решений, обеспечивающих е той или иной 15 форме приближенную реализацию операции дифференцирования, целесообразно ограничиться рассмотрением "идеальной" дифференцирующей цепочки в качестве фильтров прототипа с тем отличием между 20 ними, что в фильтре 2 дополнительно осуществляется инвертирование выходного сигнала для придания вспомогательным импульсам одинаковой положительной полярности, 25

На Ьиг.б изображены временные диаграммы входного (измеряемого) импульса на фоне флуктуационных выбросов входного шумового воздействия (фиг, ба) и реакции на их воздействие, наблюдаемые на выходах 30 первого (фиг. 66) и второго (фиг. бв) дифференцирующих фильтров прототипа. Форма полезного и помехового входных сисналов умышленно выбрана весьма простой — "трапецеидальной" и "пилообразной" с тем. что- 35 бы подчеркнуть качественный характер проводимого докаэател ьства пол ожител ьного эффекта, °

Из диаграмм видно, что помимо двух полезных вспомогательных импульсов, 40 обозначенных на фиг.б буквами "ПФ" и ЗФ" и связанных с передним и задним фронтами измеряемого импульса соответственно, на выходе фильтров присутствует множество

"ложных" импульсов, которые весьма за- 45 труднительно отселектироеать от полезных по каким-либо признакам и которые существенно искажают показания измерителя+прототипа.

Более того, в ситуации, изображенной 50 на фиг.б, прототип вообще оказывается неработоспособным.

В то же время в настоящем измерителе влияние флуктуационных выбросов на оценку длительности т„проявляется в значи- 55 тельно меньшей степени, что связано с

"интегрирующим", а не дифференцирующим характером производимых здесь операций фиг.4, 5. Для подтверждения сказанного можно рассмотреть также флуктуационные выбросы, крутизна которых сравнима с крутизной фронтов полезного импульса, а мощность значительно меньше.

В этом случае вариации положения максимумов М1, М2 на временных диаграммах фиг, 4ж. 5ж, вызванные воздействием шумов, будут незначительными и сравнимыми с периодом повторения Т импульсов ГТИ 15 фиг,1, Таким образом. такие свойства настоящего измерителя, как интегрирующий характер воздействия фильтров 1, 2 на входной импульс, единственность максимумов М1, М2 в выходных сигналах фильтров

1, 2, способность в реальном масштабе времени фиксировать моменты tM1, 1мр, появления максимумов М1, М2 е выходных сигналах фильтров 1, 2, обеспечивают повышенную точность измерения длительности выходного импульса.

Формула изобретения

Измеритель длительности импульсов, содержащий генератор тактовых импульсов, счетчик и деа формирователя, входы которых являются входами измерителя, о тлича ющийся тем,что,сцельюповышения точности, в него введены два коммутатора, деа регистра и два еычитателя, причем выходы первого и второго формирователей подключены. к управляющим входам соответственно первого и второго коммутато-. ров, первые входы которых, соединены с выходом счетчика, выходы первого и второго коммутаторов соединены с входами первого и второго регистров соответственно, выход первого регистра подключен к второму входу первого коммутатора и первому входу первого вычитателя, выход второго регистра соединен с вторым выходом второго коммутатора и вторым входом первого вычитателя, выход которого подключен к второму входу второго вычитателя, к первому входу которого подключена шина установки начального кода, выход второго вычитателя является выходом измерителя, выход генератора тактовых импульсов соединен с первым и вторым управляющими входами первого и второго формирователей. со счетным входом счетчика и входами записи первого и второго регистров, входы формирователей объединены, причем каждый из формирователей содержит фильтр, аналого-цифровой преобразователь, схему сравнения, регистр и коммутатор, управляющий вход которого соединен с выходом схемы сравнения, являющимся выходом

1R24597

1, ?

Фиг. 2 формирователя, первый и второй управляющие входы формирователя подключены соответственно к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя и входу записи регистра, выход которого соединен с вторыми входами схем сравнения и коммутатора, первые входы которых подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, вход фильтра является входом формирователя, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход коммутатора подключен к входу регистра, при этом фильтр первого формирователя содержит усилитель, (N+1)-входов ой сумматор и N-отводную линию задержки, вход которой соединен с входом фильтра и первым входом (N+1)-входового сумматора, первые N-1 выходов N-отводной линии задержки соединены с входами с второго по N (И+1)входового сумматора, N-й выход N-отводной линии задержки через

5 усилитель подключен к (N 1)-му входу (N+1)входового сумматора, выход которого является выходом фильтра первого формирователя, фильтр второго формирователя содержит N-отводную линию задер1О жки, (N+1)-входовой сумматор и усилитель, вход которого соединен с входом N-отводной линии задержки и входом фильтра, а выход — с первым входом (И+1)-входового сумматора. остальные N входов каждого

15 подключены к выходам N-отводной линии задержки, а выход является выходом фильтра второго формирователя.

1824597

Фиг. 5 а) /(/ (л) б) 4/Й в) / д/д, 0 Рк г)

// д) U Ь/к/

Lè

) UА

1824597

0 /к

r)

// л Ь х е) /,гг о) CL д айпП

Составитель А. Чижов

Техред М,Моргентал Корректор Н. Король

Редактор Заказ 2224 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/6

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