Способ измерения частоты низкочастотных колебаний и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении частоты низкочастотных колебаний. Устройство для измерения частоты содержит: источник опорного напряжения 1, два ключа 2, 3, интегратор 4, усилитель постоянного тока 5, ограничитель напряжения 6, ЦАП 7, формирователь образцового интервала времени 8, генератор счетных импульсов, два временных селектора 10, 11, два счетчика импульсов 12, 13, дифференцирующую цепочку 14, входной формирователь 15, блок управления 16. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано при измерении частоты низкочастотных колебаний.

Известно устройство измерения частоты, основанное на способе преобразования периода измеряемой частоты в постоянное напряжение, которое является разрядным для интегратора.

Недостатком такого способа является зависимость результата измерения от постоянной времени времяамплитудного преобразователя на базе интегратора, что ограничивает точность измерения вследствие дрейфа интегратора, а также ограниченный частотный диапазон, обусловленный инерционностью интегратора в области малых времен.

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству для его осуществления относится способ измерения частоты и устройство для его осуществления, основанный на промежуточном преобразовании периода измеряемой частоты в напряжение и преобразовании длительности опорного интервала времени в напряжение во время промежуточного преобразования посредством интегрирования. В последующем, во время второго интегрирования, где разрядным является напряжение, пропорциональное периоду неизвестной частоты, находят отношение этих двух постоянных напряжений, пропорциональное частоте исследуемого сигнала.

Такому способу измерения свойственны следующие недостатки. За счет того, что преобразование периода сигнала неизвестной частоты в постоянное напряжение осуществляется посредством интегрирования в процессе промежуточного преобразования, а затем это напряжение является разрядным, то оно непосредственно зависит от постоянной времени интегратора и его свойств: входного сдвига, дрейфа и т.д. Нестабильность номинальных значений элементов интегратора вносит дополнительную погрешность в процесс измерений; кроме того, такому частотомеру свойственна статическая погрешность, зависящая, главным образом, от входного сдвига и дрейфа интегратора и сравнивающего устройства (компаратора).

Способ основан на промежуточном преобразовании длительности периода измеряемой частоты в постоянное напряжение путем подсчета импульсов образцовой частоты в течение периода измеряемой частоты и преобразовании полученного кода в постоянное напряжение с помощью цифроаналогового преобразования; преобразовании длительности опорного интервала времени в постоянное напряжение во время промежуточного преобразования путем интегрирования опорного напряжения в течение опорного интервала, результат которого сохраняется до момента окончания промежуточного преобразования, Затем производится определение информативного интервала времени, пропорционального значению измеряемой частоты посредством интегрирования напряжения цифроаналогового преобразователя (ЦАП) в пределах от результата преобразования длительности образцового интервала времени до наступления нулевого значения результата второго интегрирования. При этом опорным напряжением для ЦАП является выходное напряжение усилителя, включенного последовательно с интегратором, за счет чего образуется отрицательная обратная связь, устраняющая влияние статической погрешности.

На фиг. 1 представлена структурная схема частотомера, на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства, на фиг. 3, 4 - возможные варианты схем отдельных блоков.

Устройство содержит источник 1 опорного напряжения (ИОН), электронные ключи 2 и 3, интегратор 4, усилитель 5 постоянного тока (УПТ), ограничитель 6 напряжения, ЦАП 7, формирователь 8 образцового интервала времени (ФОИВ), генератор 9 счетных импульсов (ГСИ), временные селекторы 10 и 11, счетчики импульсов 12 и 13, дифференцирующая цепочка 14, входной формирователь 15, блок 16 управления.

Вход формирователя 15 является входом частотомера, а выход соединен с первым входом блока 16 управления и R-входом счетчика 12. Выход ИОН 1 соединен со входом электронного ключа 2, выход которого соединен с точкой, объединяющей выход электронного ключа 3 и вход интегратора 4, выход которого соединен со входом УПТ 5, выход которого соединен с третьим входом блока 16 управления и входом ограничителя напряжения 6. Выход последнего соединен со входом опорного напряжения ЦАП 7, выход ЦАП 7 соединен со входом электронного ключа 3. Выход ГСИ 9 объединяет входы ФОИВ 8 и временных селекторов 10 и 11, выходы которых соединены соответственно с управляющим входом электронного ключа 2 и счетными входами счетчиков импульсов 12 и 13, причем выходная шина счетчика 12 соединена со входной шиной ЦАП 7, а выходная шина счетчика 13 является выходной шиной частотомера. Вход "ПУСК" частотомера соединен со вторым входом блока 16 управления и R-входами счетчика 13 и первый выход блока 16 управления объединяет входы временного селектора 10 и дифференцирующей цепочки 14, а второй и третий выход соединены соответственно с управляющими входами временного селектора 11 и электронного ключа 3, выход дифференцирующей цепочки 14 соединен с управляющим входом ФОИВ 14.

Примеры выполнения блока 16 управления и ФОИВ 8 приведены на фиг. 3 и фиг. 4. В состав блока 16 управления входят JK-, C- и RS-триггеры 17, 18 и 19, элемент И 20, дифференцирующие цепочки 21 и 22, компаратор 23; ФОИВ 8 включает в себя RS-триггер 24, элемент И 25, счетчик 26.

Устройство работает следующим образом. На выходе формирователя 15 вырабатываются короткие импульсы, соответствующие переходу сигналов через нуль из отрицательных значений в положительные (фиг. 2, б).

С приходом сигнала "ПУСК" на второй вход блока 16 управления триггеры 17, 18, 19 и счетчик 13 устанавливаются в нулевое состояние (фиг. 2, г, д, м). С приходом короткого импульса с выхода формирователя 15 JK-триггер устанавливается в единичное состояние (фиг. 2, г), и на его первом выходе появляется импульс, открывающий временной селектор 10, счетчик 13 устанавливается в нулевое состояние. Этим же перепадом запускается ФОИВ 8 (фиг. 2, ж), и на вход интегратора 4 через открытый ключ 2 подается опорное напряжение U_o с ИОН 1 (U_o>0). Напряжение на выходе интегратора 4 изменяется по линейному закону и к моменту времени То оно примет значение U_инт1= - U_odt = - U_o·T_o (1) где τ - постоянная времени интегратора 4; Т_о - длительность интервала времени на выходе ФОИВ 8.

В момент времени То электронный ключ 2 закрывается, напряжение на выходе интегратора 4 не меняется. С приходом очередного импульса с выхода формирователя 15 триггер 17 устанавливается в нулевое состояние (фиг. 2, г), а триггер 18 - в единичное (фиг. 2, д), временной селектор 10 закрывается и в счетчике 12 фиксируется число импульсов N_o N_o=f_o ^. T_x, (2) где f_o - частота следования импульсов ГСИ 9; Т_х - период колебаний исследуемого сигнала.

Выходное напряжение интегратора поступает на вход УПТ 5 с достаточно большим коэффициентом усиления, УПТ переходит в режим насыщения (фиг. 2, к). На входе ограничителя напряжения появляется напряжение U_огр, которое является опорным для ЦАП 7. На выходе ЦАП 7 в соответствие с кодом No формируется напряжение U_цло, которое является разрядным для интегратора 4 U_цап= U_отр (3) где N - разрядность ЦАП 7.

Следует отметить, что коэффициент усиления усилителя 5 выбирается достаточно большим, поэтому практически с началом интегрирования U_o на интервале То, УПТ 5 попадает в режим насыщения (фиг. 2, к). Фазы передачи сигнала интегратора и УПТ 5 выбраны таким образом, что напряжение насыщения УПТ 5 U_н (фиг. 2, к) всегда имеет противоположную полярность к U_o. Использование ограничителя 6 напряжения, в наиболее простом варианте выполненного на стабилитроне, подключенного к выходу УПТ 5 через балластный резистор, которое в зависимости от N_oпреобразуется в U_цап, позволяет сфоpмиpовать напряжение, служащее в последующем такте интегрирования в качестве опорного.

В момент времени Т_х по переднему фронту импульса, формируемом на инвертирующем выходе триггера 19 (фиг. 2, д), на выходе дифференцирующей цепочки 21 вырабатывается короткий импульс (фиг. 2, е), переключающий RS-триггер 19 в единичное состояние (фиг. 2, м). Итак, на втором выходе блока 16 управления вырабатывается импульс, открывающий временной селектор 11 и, разрешая тем самым прохождения импульсов с ГСИ 9 на вход счетчика 13, а на третьем - импульс, открывающий электронный ключ 3. На вход интегратора 4 подается напряжение U_цап, которое приводит к изменению напряжения на выходе (фиг. 2, и). В момент времени t U_инт2станет равно нулю U_инт2= U_инт1- U_цап· dt = 0 (4) Решая уравнение (4) относительно временного интервала (t-T_x), с учетом (1), (2), (3) (t-T_x) = T_o· (5) После окончания разряда емкости интегратора УПТ 5 выходит из насыщения и попадает в активный режим. Перепад напряжения на выходе УПТ 5, образующийся при уравновешивании, приводит к срабатыванию компаратора 23, и на выходе дифференцирующей цепочки 2 вырабатывается короткий импульс (фиг. 2, л), переключающий триггер 19 в нулевое состояние (фиг. 2, м). Временной селектор 11 закрывается, в счетчике 13 установится число импульсов N_x:
N_x=f_o(t-T_x) (6)
С учетом (6), уравнение (5) примет вид
N_x= N_f= · · K· f_x (7) где K = · T_o - общий коэффициент преобразования.

Следует отметить, что электронный ключ 3 остается замкнутым до начала следующего цикла преобразования, интегратор 4 и УПТ 5 оказываются охваченными отрицательной обратной связью (ООС) через ограничитель напряжения и ЦАП. Большое усиление в петле ООС на постоянном токе способствует поддержанию на выходе интегратора напряжения, равного сдвигу на входе УПТ 5 (при отсутствии на входе интегратора до следующего цикла преобразования).

Исходя из вышеизложенного, следует, что изменение способа измерения частоты позволяет обеспечить следующие преимущества заявляемого устройства, приводимые в сравнении с прототипом:
- за счет того, что преобразование образцового интервала времени в постоянное напряжение и преобразование полученного напряжения в информативный интервал времени осуществляется посредством одного и того же блока (интегратора), исключается погрешность, возникающая в результате нестабильности элементов интегратора;
- уменьшается значение статической погрешности, обусловленной входным сдвигом и дрейфом интегратора и сравнивающего устройства за счет введения следящей отрицательной обратной связи с выхода УЦПТ 5, на вход интегратора.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ измерения частоты низкочастотных колебаний, основанный на промежуточном преобразовании периода измеряемой частоты и образцового интервала времени с последующим определением их отношения, отличающийся тем, что преобразование образцового интервала времени в постоянное напряжение осуществляется посредством интегрирования, а преобразование периода неизвестной (измеряемой) частоты в постоянное напряжение осуществляется путем подсчета импульсов образцовой частоты в течение периода измеряемой частоты и преобразовании полученного кода в напряжение с помощью цифроаналогового преобразования, последующее определение информативного интервала времени, пропорционального значению измеряемой частоты, осуществляется посредством интегрирования напряжения цифроаналогового преобразователя в пределах от результата преобразования длительности образцового интервала времени до наступления нулевого значения результата второго интегрирования, причем опорным напряжением для цифроаналогового преобразователя является выходное напряжение усилителя, включенного последовательно с интегратором.

2. Устройство для измерения частоты низкочастотных колебаний, содержащее последовательно соединенные источник опорного напряжения, ключ и интегратор, генератор счетных импульсов, временной селектор и счетчик, формирователь образцового интервала времени, входной формирователь, отличающееся тем, что в него введены усилитель постоянного тока, цифроаналоговый преобразователь, дифференцирующая цепочка, ограничитель напряжения, второй счетчик импульсов, второй временной селектор, блок управления, причем выход интегратора через усилитель постоянного тока соединен с точкой, объединяющей третий вход блока управления и вход ограничителя напряжения, выход которого соединен с опорным входом цифроаналогового преобразователя, а выход последнего - с входом второго электронного ключа, выход генератора счетных импульсов соединен с входами формирователя образцового интервала времени и второго временного селектора, причем выход последнего соединен со счетным входом второго счетчика, выходная шина которого соединена с входной шиной цифроаналогового преобразователя, выход входного формирователя объединяет R-вход второго счетчика и первый вход блока управления, первый выход блока управления соединен с управляющим входом второго временного селектора и через дифференцирующую цепочку - с управляющим входом формирователя образцового интервала времени, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами первого временного селектора и второго электронного ключа, вход "Пуск" объединяет второй вход блока управления и R-вход первого счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4