Устройство измерения частоты низкочастотных сигналов

 

Применение: устройство относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве низкочастотного частотомера. Сущность изобретения: устройство для измерения частоты низкочастотных сигналов содержит операционный усилитель 1, источник опорного напряжения 2, операционный усилитель 3, цифроаналоговый преобразователь 4, измерительный прибор 5, генератор счетных импульсов 6, временной селектор 7, счетчик импульсов 8, оперативное запоминающее устройство 9, JK -триггер 10, С-триггер 11, дифференцирующую цепочку 12, входную шину, управляющую шину с соответствующими связями. 2 ил.

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве низкочастотного частотомера.

Известно устройство для измерения частоты электрических колебаний [1] основанное на подсчете импульсов неизвестной частоты в течение образцового интервала времени. Недостаток такого устройства для измерения частоты - недопустимо большое время измерения в области низких частот, что ограничивает быстродействие устройств, реализующих такой способ измерения.

Известен преобразователь частоты в аналоговый сигнал [2] основанный на формировании двух импульсов эталонной длительности, усреднении импульсов рассогласования, длительность которых равна времени, в течение которого импульсы эталонной длительности имеют одинаковый логический уровень, а первый импульс эталонной длительности формируют с момента начала периода преобразования сигнала, второй импульс эталонной длительности формируют с момента начала второго периода преобразования сигнала.

К недостаткам такого преобразователя относится сложность обработки сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство измерения частоты [3] основанное на промежуточном преобразовании периода исследуемого сигнала и эталонного интервала времени в постоянные напряжения с последующим нахождением отношения этих напряжений так, что выходное значение результата преобразований пропорционально частоте исследуемого сигнала.

Недостатком такого устройства следует считать невысокое быстродействие, обусловленное первоначальным преобразованием интервалов времени в постоянные напряжения и последующим определением их соотношения посредством двойного интегрирования, а также наличием методической погрешности, возникающей вследствие нестабильности значений (номиналов) элементов интегратора, определяющих постоянную времени при предварительном преобразовании периода измеряемого сигнала в постоянное напряжение.

Технической задачей является увеличение быстродействия.

Техническая задача достигается тем, что в предлагаемом устройстве период исследуемого сигнала преобразуется первоначально в цифровой код, на основе которого посредством цифроаналогового преобразования формируется значение глубины отрицательной обратной связи операционного усилителя. Выходное напряжение операционного усилителя таким образом пропорционально частоте исследуемого сигнала.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

В состав частотомера входят формирователь 1, источник 2 постоянного напряжения, операционный усилитель (ОУ) 3, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 4, измерительный прибор 5, генератор 6 счетных импульсов (ГСИ), временной селектор 7, счетчик 8, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 9, JK-триггер 10, С-триггер 11, дифференцирующая цепочка 12.

Вход формирователя 1 является входной шиной частотомера, выход формирователя соединен с С-входом JK-триггера 10, инверсный выход которого через дифференцирующую цепь 12 соединен с входом управления ОЗУ 9, а прямой выход со счетным входом триггера 11 и управляющим входом временного селектора 7; инверсный выход триггера 11 объединяет J- и К-входы триггера 10. Выход источника 2 постоянного напряжения соединен с неинвертирующим входом ОУ 3, выход ОУ объединяет ЦАП 4 и вход измерительного прибора 5, выход ЦАП соединен с инвертирующим входом ОУ 3. Выход ГСИ 6 через временной селектор 7 соединен с С-входом счетчика 8, выходная шина которого соединена через ОЗУ 9 со входной управляющей шиной ЦАП 4. Управляющая шина частотомера объединяет R-входы счетчика 8 и триггеров 10 и 11.

Устройство работает следующим образом.

С приходом сигнала "Пуск" на управляющую шину триггеры 10 и 11 устанавливаются в нулевое состояние (фиг. 2, U₁₀, U₁₀, U₁₁). Поступающий с выхода формирователя короткий импульс в момент времени t₁ JK-триггер 10 переключается в единичное состояние (фиг.2, U₁, U₁₀), разрешая тем самым прохождение счетных импульсов с выхода ГСИ 6 на вход счетчика 8. В момент времени t₂, в момент повторного поступления импульса с выхода формирователя 1 на С-вход JK-триггера 10 последний переключается в нулевое состояние (фиг.2, U₁, U₁₀), а С-триггер 11 в единичное (фиг. 2, U₁₁) состояние. Триггер 10 блокируется по J- и К-входам (уровень логического нуля) и сигнал на С-входе не приводит к изменению состояния триггера до прихода очередного сигнала управления "Пуск". В момент времени t₂ на входе дифференцирующей цепочки 12 формируется короткий импульс (фиг.2, U₁₂), записывающий число импульсов N_x из счетчика 8 в ОЗУ 9, причем значение N_x составляет N_x f·(t₂ t₁) N_x·T_x (1), где f частота следования импульсов ГСИ 6; T_x период колебаний исследуемого сигнала.

В соответствии со значением N_x на инвертирующем входе ОУ 3 формируется напряжение отрицательной обратной связи U_oc где U_вых выходное напряжение ОУ 3; N разрядность ЦАП.

В свою очередь на выходе ОУ 3 выходное напряжение U_вых может быть определено U_вых (U₁ U_oc) ·K (3), где U₁ выходное напряжение источника 2; К коэффициент усиления дифференцирующего (разностного) сигнала ОУ 3.

Подставляя (2) в (3) и решая относительно U_вых, получим следующую математическую зависимость для входного напряжения ОУ:

Зная, что значение К для ОУ стремится к бесконечно большому значению, т. е. K _→ ∞, с учетом (1) получаем

где К_пр коэффициент преобразования.

Равенство (5) показывает, что значение результата измерений пропорционально частоте измеряемого сигнала f_x, которое фиксируется измерительным прибором 5.

Оценка технико-экономического эффекта изобретения, приводимого в сравнении с прототипом, заключается в следующем.

1. Выходное напряжение ОУ появляется практически сразу после записи цифрового кода в ОЗУ (без учета времени установления ОУ, ЦАП и ОЗУ), т.о. общее время преобразования определяется временем полного колебания исследуемого сигнала.

2. Улучшаются точностные характеристики устройства, так как исключаются погрешности, возникающие при преобразовании периода исследуемого сигнала в постоянное напряжение с помощью интегратора.

3. Расширяется частотный диапазон устройства, уменьшается методическая погрешность за счет того, что современная ЭСЛ-логика может работать с частотами до 200 МГц; при емкости счетчика N_c=1000 минимальное значение периода исследуемого сигнала составляет 5 мкс (соответствует частоте 200 кГц), что весьма затруднительно при использовании обычных ОУ в качестве усилителя интегратора [4]
Таким образом обеспечивается новый положительный эффект.

Применяя в качестве ГСИ 6 кварцевый генератор, а в качестве измерительного прибора АЦП, погрешность измерения будет измеряться в основном нестабильностью напряжения U₁. Используя источник 2 в качестве опорного для АЦП, эта погрешность может быть сведена к минимуму, результат измерения будет отображаться в цифровом виде.

Формула изобретения

Устройство измерения частоты низкочастотных сигналов, содержащее входной формирователь, вход которого подключен к входной шине, генератор счетных импульсов, временной селектор, счетчик импульсов, источник опорного напряжения, измерительный прибор, причем выход генератора счетных импульсов через временной селектор подключен к счетному входу счетчика импульсов, отличающееся тем, что в него введены операционный усилитель, цифроаналоговый преобразователь, оперативное запоминающее устройство, JK-триггер, C-триггер, дифференцирующая цепочка, управляющая шина, причем выход входного формирователя подключен к C-входу JK-триггера, инверсный выход которого через дифференцирующую цепочку подключен к управляющему входу оперативного запоминающего устройства, а прямой выход к счетному входу C-триггера и управляющему входу временного селектора, инверсный выход C-триггера подключен к объединенным J- и K-входам JK-триггера, выход источника опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен к опорному входу цифроаналогового преобразователя и входу измерительного прибора, выход цифроаналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, группа информационных выходов счетчика импульсов подключена к информационным входам оперативного запоминающего устройства, информационные выходы которого подключены к информационным входам цифроаналогового преобразователя, R-входы счетчика импульсов, JK-триггера, C-триггера объединены и подключены к управляющей шине.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2