Измеритель периода повторения импульсов

 

Изобретение относится к измерительной технике. Измеритель содержит линию 1 задержки, усилитель 2, сумматоры 3 и 15, аналого-цифровой преобразователь 4, коммутаторы 5 и 8, регистры 6, 9 и 14, схему 7 сравнения, счетчик 10, формирователь 11 импульсов, постоянное запоминающее устройство 12, схему 13 вычитания, генератор 16 тактовых импульсов, фильтр 17, пороговое устройство 18, блок 19 регистрации времени и арифметический блок 20 с соответствующими связями. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям временных интервалов.

Известны устройства измерения периода Т повторения импульсов известной (детерминированной) формы, в частности близкой к прямоугольной [1].

Недостатком этих устройств является низкая точность измерения периода Т повторения импульсов и прежде всего в ситуации, когда длительность τ_и импульсов неизвестна.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2].

Недостатком его является низкая точность измерения периода повторения импульсов Т, что также проявляется в условиях неизвестной длительности τ_и импульсов. Вместе с тем в тех случаях, когда максимальное значение длительности импульсов ограничено и является априорно известной величиной, имеется возможность повышения точности измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения текущих значений периода Т.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель периода повторения импульсов, содержащий генератор тактовых импульсов, дополнительно вводится фильтр, аналого-цифровой преобразователь, пороговое устройство, блок регистрации времени и арифметический блок, причем выход фильтра подключен к аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом порогового устройства, выход которого соединен с управляющим входом блока регистрации времени, первый выход которого соединен с входом арифметического блока, а второй выход соединен с входами установки нуля порогового устройства и арифметического блока, выход которого соединен с выходом измерителя, выход генератора тактовых импульсов подключен к входу стробирования аналого-цифрового преобразователя, счетному входу блока регистрации времени и тактовым входам порогового устройства и блока регистрации времени, при этом фильтр содержит N-отводную линию задержки, N-входовый сумматор и усилитель, выводы N-отводной линии задержки с первого по (N-1)-й соединены с соответствующими входами N-отводного сумматора непосредственно, а N-й вывод N-отводной линии задержки соединен с соответствующим входом N-входового сумматора через усилитель, выход N-входового сумматора соединен с выходом фильтра, пороговое устройство содержит схему сравнения, регистр и коммутатор, причем первые входы схемы сравнения и коммутатора объединены и подключены к входу порогового устройства, выход коммутатора соединен с входом регистра, выход которого соединен с вторыми входами схемы сравнения и коммутатора, тактовый вход и вход установки нуля регистра соединены с соответствующими входами порогового устройства, выход схемы сравнения подключен к управляющему входу коммутатора и выходу порогового устройства, блок регистрации времени содержит формирователь импульсов, счетчик, регистр и коммутатор, причем выход счетчика соединен с первым входом коммутатора и входом формирователя импульсов, выход которого подключен к второму выходу блока регистрации времени и входу установки нуля регистра, выход которого соединен с первым выходом блока регистрации времени и вторым входом коммутатора, управляющий вход которого соединен с одноименным входом блока регистрации времени, а выход - с входом регистра, тактовый вход которого соединен с тактовым входом блока регистрации времени, арифметический блок содержит постоянное запоминающее устройство, схему вычитания, регистр и сумматор, причем второй вход сумматора и инверсный вход схемы вычитания объединены и подключены к входу арифметического блока, вход установки нуля которого подключен к одноименному входу регистра, выход которого соединен с первым входом сумматора, а вход подключен к выходу схемы вычитания, вход которой соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, выход сумматора соединен с выходом арифметического блока.

Изобретение поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого измерителя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие процедуру измерения в предлагаемом устройстве; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу известного измерителя; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого измерителя.

Устройство (фиг. 1) содержит линию задержки (ЛЗ) 1, усилитель 2, сумматор 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, коммутатор 5, регистр 6, схему сравнения (СС) 7, коммутатор 8, регистр 9, счетчик 10, формирователь импульса (ФИ) 11, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 12, схему вычитания (СВ) 13, регистр 14, сумматор 15, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 16, фильтр 17, пороговое устройство (ПУ) 18, блок регистрации времени (БРВ) 19, арифметический блок (АБ) 20.

На фиг. 2 изображены последовательность опорных импульсов с периодом Т_о (см. фиг. 2,а) и последовательность входных импульсов (см. фиг. 2,а). При этом в устройстве должна осуществляться процедура вычисления величины Т = Т_о - Т_i^' + T_i^'₊₁ , где Т - измеряемый период повторения входных импульсов в i-м периоде; Т_о - период повторения опорных импульсов; Т_i^' - задержка i-го входного импульса относительно ближайшего (предыдущего) опорного импульса; Т_i+1^' - задержка (i+1)-го входного импульса относительно ближайшего (предыдущего) опорного импульса.

Измеритель периода повторения импульсов (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные фильтр 17, в состав которого входят ЛЗ 1, усилитель 2 и коммутатор 3, АЦП 4, ПУ 18, в состав которого входят коммутатор 5, регистр 6 и СС 7, БРВ 19, в состав которого входят коммутатор 8, регистр 9, счетчик 10 и ФИ 11, АБ 20, в состав которого входят ПЗУ 12, СВ 13, регистр 14 и сумматор 15. Кроме того, измеритель содержит ГТИ 16, выход которого соединен с входом стробирования АЦП 4, счетным входом БРВ 19 и тактовыми входами ПУ 18 и БРВ 19.

При заданном шаге Δ t линии задержки и известном максимальном значении длительности входных импульсов τ_иmax могут быть определены остальные параметры: частота ГТИ 16 f = 1/Δ t, (2) суммарное время задержки ЛЗ 1 T_лз = = NΔt , (3) где N - число отводов ЛЗ 1, число входов сумматора 3, кроме того, Т_о = K Δt=2^lΔt, (4) где К - коэффициент пересчета счетчика 10;
l - разрядность счетчика 10, АЦП 4 и составляющих ПУ 18, БРВ 19, АБ 20.

Предлагаемый измеритель работает следующим образом.

Результат суммирования с выхода сумматора 3, оконечного элемента фильтра 17 поступает на АУП 4, преобразуется в цифровой вид (l-разрядный код) и с периодом следования Δ t поступает в ПУ 18 на первый вход СС 7. На второй вход СС 7 поступает напряжение, хранящееся в регистре 6, который в начале каждого периода Т_о устанавливается в нулевое положение (определяющее пороговое напряжение U_п = 0 в начале каждого цикла измерения) импульсом с выхода ФИ 11 блока 19. На выходе СС 7 вырабатывается напряжение "ЛОГ 1" или "ЛОГ 1" в зависимости от того, какая из двух сравниваемых величин больше.

Если с выхода АЦП 4 поступает напряжение большее, чем записанное в регистре 6, то на выходе СС 7 вырабатывается напряжение, поступающее на управляющий вход коммутатора 5, под действием которого выход АЦП 4 соединиться с выходом регистра 6. Под действием тактовой частоты f, поступающей с выхода ГТИ 16 на тактовый вход регистра 6, вновь поступающее с АЦП 4 значение напряжения запишется в регистре 6.

В следующем отрезке времени, равном Δ t, вновь поступившее с АЦП 4 напряжение будет сравниваться с предыдущим напряжением, ранее записанным в регистре 6. Если вновь поступившее значение оказалось, например, меньше, чем ранее записанное в регистре 6, то на выходе СС 7 вырабатывается напряжение, поступающее на управляющий вход коммутатора 5, под действием которого выход регистра 6 соединится с его входом. Под действием тактовой частоты f ранее записанное в регистре значение вновь запишется в него (регенерируется старое значение).

Таким образом, если вновь поступившее с АЦП 4 значение превышает по величине ранее записанное в регистре 6, то в регистре 6 запишется новое значение.

Если новое значение напряжения, поступающего с АЦП 4, не превышает ранее записанное в регистре 6, то в регистре регенерируется старое значение.

К концу цикла в регистре 6 будет находиться максимальное (выделенное фильтром 17 в данном цикле) напряжение.

В следующем цикле Т_о аналогичная процедура повторяется и выбирается максимальное значение для данного периода.

С выхода СС 7 блока 18 управляющее напряжение поступает на коммутатор 8 блока 19. БРВ 19 фиксирует в каждом цикле Т_о время выделения максимального напряжения и работает синхронно с блоком 18 и под его управлением.

БРВ 19 работает следующим образом.

Выходы регистра 9 и счетчика 10 подключены к входам коммутатора 8, на управляющий вход которого приходит управляющее напряжение с СС 7 блока 18.

В начале каждого периода Т_о импульсом, сформированным в ФИ 11, подключенном к выходу счетчика 10, регистр 9 устанавливается в "0".

С приходом тактового импульса f счетчик 10 изменяет свое состояние, формируя на своем выходе код, соответствующий времени, прошедшему от начала цикла Т_о.

В те моменты времени, отсчитываемые счетчиком 10, когда с выхода АЦП 4 на ПУ 18 поступает напряжение, превышающее по величине ранее записанное в регистре 6, в БРВ 19 под действием управляющего сигнала, поступающего с СС 7, выход счетчика 10 через коммутатор 8 соединяется с регистром 9. Под действием тактовой частоты значение кода счетчика 10 записывается в регистр 9.

В те моменты времени, когда с выхода АЦП 4 в ПУ 18 поступает напряжение, не превышающее ранее записанное в нем, в регистре 9 регенерируется ранее зафиксированное в нем же значение времени (кода).

К концу каждого i-го цикла Т_о в регистре 9 будет находиться код времени T_i', который поступает в АБ 20.

Значение периода приходящих импульсов вычисляется по формуле (I).

Эту процедуру вычисления реализует АБ 20. В нем пришедшее значение кода времени T_i^I поступает на инверсный вход СВ 13, на положительный вход которой поступает код, соответствующий величине периода Т_о от ПЗУ 12. На выходе СВ 13 формируется код времени, равный Т_о-T_i, который записывается в регистре 14 под действием поступающего на его вход импульса T_o.

С выхода регистра значение кода времени Т_о-T_i^I, задержанное на цикл, поступает на первый вход сумматора 15, на второй вход которого поступает без задержки вычисленное значение T_i+1^I с выхода регистра 9 БРВ 19. На выходе сумматора реализуется значение кода времени, соответствующее периоду следования импульсов (1).

Для доказательства положительного эффекта рассмотрим реакции фильтров измерителя-прототипа и предлагаемого измерителя на различные по длительности входные импульсы прямоугольной формы.

Рассмотрим случаи, когда N = 6, Т_лз = 6 Δ t, а входные импульсы имеют длительности:
а) τ_и=Δt < Т_лз;
б) τ_и=3Δ t < Т_лз;
в) τ_и=6Δ t = Т_лз;
г) τ_и=8Δ t > Т_лз.

При этом на фиг. 3 и 4 представлены диаграммы выходных напряжений соответственно для фильтра-прототипа, в качестве которого используется фильтр, согласованный для приема прямоугольного импульса известной длительности (в частности τ_и = = Т_лз) и фильтра 17, используемого в предлагаемом измерителе.

Из фиг. 3 видно, что фильтр прототипа имеет "плато" в его выходной характеристике во всех случаях, кроме случая, когда длительность входного импульса согласована с длительностью ЛЗ, т.е.

τ_и = Т_лз.

Из фиг. 4 видно, что фильтр 17 предлагаемого измерителя имеет аналогичное "плато" только для случаев, когда
τ_и > Т_лз.

Именно этот факт позволяет говорить о том, что в случае входных импульсов с известной длительностью τ_и, удовлетворяющих условию
≅ T_лз, выходное напряжение фильтра предлагаемого измерителя характеризуется следующими свойствами:
- существование и единственность локального максимума, что позволяет говорить о максимуме М выходного сигнала;
- независимость момента появления этого максимума t_м от длительности τ_и, причем сам момент t_м при моменте появления импульса на входе t = 0 определяется длительностью реакции фильтра, т.е. временем задержки в ЛЗ.

Основное преимущество предлагаемого измерителя состоит в несмещенности оценки Т, т. е. в отсутствии систематической ошибки (Δ = 0). Отметим, что этим свойством не обладают измерители с согласованными фильтрами на их входе, которые хотя и обеспечивают минимум флюктуационной ошибки δ измерителя, но имеют значительную систематическую ошибку Δ , величина которой прямо пропорциональна разнице между длительностями входного импульса τ_и и задержки ЛЗ Т_лз.

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРИОДА ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ, содержащий генератор тактовых импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены фильтр, аналого-цифровой преобразователь, пороговое устройство, блок регистрации времени и арифметический блок, причем выход фильтра подключен к аналоговому входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом блока регистрации времени, первый выход которого соединен с входом арифметического блока, а второй выход соединен с входами установки нуля порогового устройства и арифметического блока, с входами установки нуля порогового устройства и арифметического блока, выход которого соединен с выходом измерителя, выход генератора тактовых импульсов подключен к входу стробирования аналого-цифрового преобразователя, счетному входу блока регистрации времени и тактовым входам порогового устройства и блока регистрации времени, при этом фильтр содержит N-отводную линию задержки, N-входовый сумматор и усилитель, выводы N-отводной линии задержки с первого по (N - 1)-й соединены с соответствующими входами N-входового сумматора непосредственно, а N-й вывод N-отводной линии задержки соединен с соответствующим входом N-входового сумматора через усилитель, выход N-входового сумматора соединен с выходом фильтра, пороговое устройство содержит схему сравнения, регистр и коммутатор, причем первые входы схемы сравнения и коммутатора объединены и подключены к входу порогового устройства, выход коммутатора соединен с входом регистра, выход которого соединен с вторыми входами схемы сравнения и коммутатора, тактовый вход и вход установки нуля регистра соединены с соответствующими входами порогового устройства, выход схемы сравнения подключен к управляющему входу коммутатора и выходу порогового устройства, блок регистрации времени содержит формирователь импульсов, счетчик, регистр и коммутатор, причем выход счетчика соединен с первым входом коммутатора и входом формирователя импульсов, выход которого подключен к второму выходу блока регистрации времени и входу установки нуля регистра, выход которого соединен с первым выходом блока регистрации времени и вторым входом коммутатора, управляющий вход которого соединен с одноименным входом блока регистрации времени, а выход - с входом регистра, тактовый вход которого соединен с тактовым входом блока регистрации времени, арифметический блок содержит постоянное запоминающее устройство, схему вычитания, регистр и сумматор, причем второй вход сумматора и инверсный вход схемы вычитания объединены и подключены к входу арифметического блока, вход установки нуля которого подключен к одноименному входу регистра, выход которого соединен с первым входом сумматора, а вход подключен к выходу схемы вычитания, вход которой соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, выход сумматора соединен с выходом арифметического блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4