Устройство для измерения частоты следования импульсов

 

Использование: в контрольной технике, в частности в устройстве для измерения частоты следования импульсов в системах контроля параметров окружающей среды для кодирования с частотных датчиков. Сущность изобретения: устройство содержит генератор эталонной частоты 1, счетчик эталонной частоты 2, элемент задержки 3, элемент ИЛИ-НЕ 4, D-триггер 5, регистр 6, формирователь 7, элемент И 8, счетчик измеряемой частоты 9, входную шину 10. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля параметров окружающей среды для кодирования сигналов с частотных датчиков.

Во многих случаях требуется измерять частоту следования импульсов с различного рода частотных датчиков в широком диапазоне частот, например при контроле температуры, влажности в различных точках. При обеспечении заданной точности измерения время измерения лежит в широком диапазоне от минимального при регистрации высокочастотных импульсов до максимального при низкочастотных импульсов. Например, при точности измерения ≈1% необходимо регистрировать не менее 100 импульсов. Если f_x измеряемая частота равна 10⁵ с^-1, то время регистрации составляет 10^-5 х 100 10^-3 с, а если частота f_x ˙c ^-1, то время регистрации составит уже ≈ 100 с. Ясно, что для повышения быстродействия устройства необходимо в ходе регистрации учитывать величину измеряемой частоты для уменьшения времени регистрации.

Известно устройство для измерения частоты следования импульсов, содержащее генератор импульсов эталонной частоты, триггер, два селектора, счетчик эталонной частоты, счетчик измеряемой частоты, элементы И-НЕ, ИЛИ, И. Известное устройство обеспечивает постоянное время измерения независимо от величины измеряемой частоты. Поэтому при заданной точности измерения время измерения будет большим в расчете на регистрацию импульсов низкой частоты и, следовательно, для импульсов высокой частоты устройство обладает малым быстродействием.

Кроме того, известное устройство сложно в исполнении.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для измерения частоты следования импульсов, содержащее генератор, счетчик эталонной частоты, соединенный с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход D-триггера через элемент И соединен со счетчиком измеряемой частоты, второй вход элемента И является входом устройства [2] Это устройство имеет более простую структуру и, следовательно, надежность в работе.

Недостатком устройства [2] является низкое быстродействие при измерении высокой частоты.

Цель изобретения повышение быстродействия благодаря учету величины измеряемой частоты.

Для этого в устройство для измерения частоты следования импульсов, содержащее генератор, счетчик эталонной частоты, соединенный с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход D-триггера через элемент И соединен со счетчиком измеряемой частоты, второй вход элемента И является входом устройства, введен элемент задержки и регистр, причем выход генератора через элемент задержки соединен с С-входом триггера, выход которого соединен с входом управления регистра, разрядные входы которого соединены с соответствующими разрядными выходами счетчика эталонной частоты, вход которого соединен с выходом генератора, выход счетчика измеряемой частоты соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ, инверсный выход которого соединен с D-входом триггера.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве обеспечено окончание измерения после набора счетчиков измеряемой частоты числа импульсов, составляющего более половины своей емкости, что обеспечивает заданную точность измерения по ближайшему по времени импульсу с генератора эталонной частоты. Поэтому время регистрации имеет оптимальную величину для набора в счетчике числа импульсов, необходимого для обеспечения заданной точности измерения, что повышает быстродействие устройства. Время измерения равно целому числу периодов эталонной частоты.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство для измерения частоты следования импульсов содержит генератор 1 эталонной частоты, счетчик 2 эталонной частоты, элемент задержки 3, элемент ИЛИ-НЕ 4, D-триггер 5, регистр 6, формирователь 7, элемент И 8, счетчик 9 измеряемой частоты, входную шину 10.

Генератор 1 выполнен по схеме автогенератора с кварцевым резонатором; счетчики 2 и 9 эталонной и измеряемой частоты на МС К555ИЕ10, элемент задержки 3 на основе RC-цепи, элемент ИЛИ-НЕ 4 на МС К 555 ЛЕ1, триггер 5 на МС КМ 555 ТМ2, регистр 6 на МС К 555 ИР22, формирователь 7 на основе резистивного ограничителя тока и резистивного делителя напряжения, элемент И 8 на МС К 555 ЛИ1.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчики 2 и 9 обнулены (цепи обнуления не показаны). На выходе переполнения счетчика 2 и на выходе старшего разряда счетчика 9 выставлены уровни лог. "0", которые поступают на первый и второй входы элемента ИЛИ-НЕ 4 соответственно. Уровень "1" с выхода элемента ИЛИ-НЕ поступает на D-вход триггера 5. Первоначально триггер 5 обнулен. Уровень лог. "0" с его выхода поступает на первый вход элемента И 8 и запрещает прохождение через его второй вход входных импульсов с шины 10 через формирователь 7 на счетный вход счетчика 9.

По первому во времени после обнуления счетчиков и триггера импульсу с генератора 1 эталонной частоты, поступающему через элемент задержки 3 на тактовый вход триггера 5, триггер 5 устанавливается в единичное состояние. Уровень лог. "1" поступает на первый вход элемента И 8 и разрешает прохождение входных импульсов на счетчик 9 измеряемой частоты. Счетчик 9 производит счет входных импульсов. Одновременно счетчик 2 производит счет периодов эталонной частоты, т.е. времени измерения.

При наборе счетчиком 9 количества входных импульсов, равного половине его емкости, на выходе старшего разряда появляется уровень лог. "1", который поступает на вход элемента ИЛИ-НЕ 4. С инверсного выхода элемента ИЛИ-НЕ 4 уровень лог. "0" поступает на D-вход триггера 5. По первому после этого импульсу с генератора 1 триггер 5 устанавливается в нулевое состояние. Уровень лог. "0" с выхода триггера 5 поступает на вход элемента И 8 и запрещает прохождение входных импульсов на счетный вход счетчика 9. Одновременно уровень лог. "0" поступает на вход управления защелки регистра 6, в котором производится запись (защелка) кода счетчика 2 на момент окончания регистрации. Таким образом по окончании регистрации в счетчике 9 хранится код сосчитанного числа входных импульсов, а в регистре 6 код времени регистрации.

Время регистрации определяется временным интервалом между моментами установки триггера 5 в состояние "1" и в состояние "0" по фронту импульсов с генератора 1. Следовательно, время регистрации равно целому числу периодов эталонной частоты.

Счетчик 9 измеряемой частоты производит досчет входных импульсов от момента набора им половины емкости до окончания регистрации по ближайшему импульсу эталонной частоты. Следовательно, счетчик 9 всегда производит счет не менее половины своей емкости, что обеспечивает заданную точность измерения. Элемент задержки 3 необходим для задержки защелки информации в регистре 6 до ее выставления на его информационных входах.

При низкочастотных входных импульсах окончание регистрации происходит по уровню лог. "1" с выхода переполнения счетчика 2 эталонной частоты, поступающему через элемент ИЛИ-НЕ на D-вход триггера 5 в виде уровня лог. "0".

В предложенном устройстве измеряемая частота равна отношению числа со считанных входных импульсов, т.е. кода счетчика 9, и времени регистрации, т. е. кода в регистре 6, умноженного на значение периода эталонной частоты, т. е.

f_x= · f_эт где f_x измеренная частота; n код счетчика 9; N код в регистре 6; f_эт эталонная частота; Т_изм. время измерения.

Предложенное устройство реализует время регистрации, оптимальное для обеспечения заданной точности измерения. Вследствие этого повышается быстродействие устройства.

В количественном отношении повышение быстродействия предложенного устройства по сравнению с прототипом может быть проиллюстрированно на следующем примере.

Предположим, необходимо регистрировать импульсы в диапазоне частот от 1 до 10⁵ с^-1 с точностью ≈1% Для нижней границы диапазона частот время регистрации для набора 100 входных импульсов должно быть не менее 100˙ 1 100 с. В устройстве прототипе частота генератора эталонной частоты и емкость счетчика эталонной частоты должны быть подобраны так, чтобы время измерения было 100 с. При регистрации высокочастотных импульсов время измерения в устройстве-прототипе не меняется.

В предложенном устройстве при регистрации импульсов частотой 10⁵ с^-1 с указанной точностью время измерения составит 10^-5 ˙256 2,56˙ 10^-3 с, так как максимальное число зарегистрированных импульсов не превышает полной емкости двоичного счетчика 9, половина которой должна быть не менее 100 (128) для обеспечения заданной точности измерения (1%).

Сравнивая время измерения высокочастотных импульсов в предложенном устройстве и в устройстве-прототипе, видим, что оно в прототипе в ≈10⁴ раз больше и соответственно быстродействие (прототип) в этом случае во столько же раз хуже, чем в предложенном устройстве.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ, содержащее генератор, счетчик эталонной частоты, выход переполнения которого соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход D-триггера через элемент И соединен со счетным входом счетчика измеряемой частоты, второй вход элемента И является входом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, в него дополнительно введены элемент задержки и регистр, причем выход генератора через элемент задержки соединен с C-входом триггера, выход которого соединен с входом управления регистра, разрядные входы которого соединены с соответствующими разрядными выходами счетчика эталонной частоты, вход которого соединен с выходом генератора, выход старшего разряда счетчика измеряемой частоты соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ, инверсный выход которого соединен с D-входом триггера, информационными выходами устройства являются разрядные выходы счетчика измеряемой частоты и выходы регистра.

РИСУНКИ

Рисунок 1