Способ измерения временных интервалов электрических сигналов

 

Изобретение относится к измерительной технике. В способе подсчитывают количество периодов эталонного генератора (ЭГ) внутри измеряемого интервала. Вспомогательный генератор (ВГ) с частотой, в 1/К (К - коэффициент интерполяции) раз меньшей частоты ЭГ, устанавливают в режим непрерывной генерации с произвольной начальной фазой. Его сигнал преобразуют в пилообразное напряжение. Промежуток между началом интервала и первым фронтом последовательности импульсов ЭГ принимают равным числу периодов ВГ, взятых на уровне пересечения начала интервала и переднего склона пилообразного напряжения, промежуток между концом интервала и первым после конца интервала фронтом импульса ЭГ - равным числу периодов ВГ, взятых на уровне пересечения конца интервала и переднего склона пилообразного напряжения, а измеряемый интервал времени - равным произведению, первый сомножитель которого равен числу периодов ЭГ плюс число периодов ВГ между началом интервала и фронтом первого после начала интервала импульса ЭГ, деленное на К, минус число периодов ВГ между концом интервала и фронтом первого после конца интервала импульса ЭГ, а второй сомножитель равен периоду ЭГ. Способ обеспечивает повышенную разрешающую способность измерения. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области измерения временных интервалов и может использоваться в измерительной технике для измерения временных интервалов, периода, разности фаз и частоты электрических сигналов.

Известен способ измерения временных интервалов электрических сигналов, основанный на подсчете количества периодов частоты эталонного генератора за измеряемый интервал времени и при котором длительность промежутков между началом измеряемого интервала и фронтом первого после начала импульса эталонного генератора и между концом измеряемого интервала и первым после него фронтом импульса эталонного генератора измеряется с помощью накопительного конденсатора, заряжаемого током I в течение длительности соответствующего промежутка и разряжаемого током I/K после окончания промежутка и промежуток численно равен времени разряда конденсатора. (Мирский Г.Я. Электронные измерения. М. , "Радио и связь" 1986 г., стр. 117; Хоровиц, Хилл, "Искусство схемотехники, Москва, "МИР", 1986 г., том 2, стр. 372).

Но точность этого способа сильно зависит от точности схемы заряда и разряда конденсатора, и подвержена сильным влияниям температуры, помех и напряжения питания, вследствие чего коэффициент интерполяции K не может быть слишком большим и, следовательно, разрешающая способность этого способа не может быть слишком высокой.

Существует также способ измерения временных интервалов с использованием сигнала эталонного генератора высокой стабильности, при котором разрешающая способность повышается за счет использования двух вспомогательных генераторов с частотой в (1+1/K) раз меньшей частоты эталонного генератора и в котором первый вспомогательный генератор запускается началом измеряемого интервала и останавливается при совпадении фронтов его сигнала и сигнала эталонного генератора, а второй вспомогательный генератор запускается концом измеряемого интервала и останавливается при совпадении фронтов его сигнала и сигнала эталонного генератора, причем интервал равен произведению, в котором первый сомножитель равен числу периодов эталонного генератора за измеряемый интервал плюс число периодов первого вспомогательного генератора, деленное на К, минус число периодов второго вспомогательного генератора, деленное на К, а второй сомножитель равен периоду эталонного генератора. (HEWLETT PACKARD, Fundamentals of Time Interval Measurements, Application Note 200-3, стр. 50; Хоровиц, Хилл, "Искусство схемотехники, Москва, "МИР", 1986 г., том 2, стр. 373).

Данный способ наиболее близок по своей сущности к заявляемому и является для него прототипом. Недостатком этого способа является то, что стабильность генераторов, запускаемых фазой, к которым можно отнести релаксационные генераторы и LC-генераторы ударного возбуждения, обычно не превышает 1-10^-3, а для получения разрешающей способности до 1/K периода эталонного генератора при одновременном обеспечении точности измерения не хуже 1/K периода эталонного генератора необходима стабильность вспомогательного генератора не менее 1/(3K²), что уже при значении К более 30 получить достаточно сложно.

Сущность изобретения заключается в следующем: предлагается способ измерения временных интервалов путем подсчета количества периодов частоты эталонного генератора внутри измеряемого интервала, в котором для увеличения разрешающей способности измерения наряду с сигналом эталонного высокостабильного генератора используют сигнал одного вспомогательного высокостабильного генератора с частотой, в (1+1/K) раз меньшей частоты эталонного генератора. При этом в отличие от прототипа вспомогательный генератор используется в режиме непрерывной генерации и начальная фаза генерации частоты вспомогательного генератора может быть произвольной. Сигнал вспомогательного генератора преобразуют в пилообразное напряжение, запоминают уровень напряжения, соответствующий моменту пересечения фронта измеряемого события и переднего склона пилообразного напряжения и производят решение сигнала пилообразного напряжения по этому уровню до тех пор, пока не обнаружат совпадение очередного момента пересечения склона пилообразного напряжения и уровня решения с фронтом сигнала эталонного генератора, следовательно, передний фронт первого импульса пачки импульсов, полученной в результате решения, совпадает с моментом пересечения склона пилообразного напряжения и фронта измеряемого события. Далее подсчитывают количество импульсов в этой пачке до момента совпадения фронта импульса в пачке с фронтом импульса эталонного генератора, а интервал между двумя событиями определяют из выражения: t_изм= TO(N0+(N1-N2)/K), где t_изм - измеряемый интервал, T0 - период частоты эталонного генератора, N0 - количество импульсов эталонного генератора между измеряемыми событиями, N1 - количество импульсов пилообразного напряжения, решенного по уровню пересечения первого фронта измеряемого интервала и переднего склона пилообразного напряжения и N2 - количество импульсов пилообразного напряжения, решенного по уровню пересечения второго фронта измеряемого интервала и переднего склона пилообразного напряжения, K - коэффициент интерполяции, определяемый выражением: K = T0/(T1-T0), где T1 - период частоты вспомогательного генератора.

На фиг. 1 и 2 иллюстрируется измерение временных интервалов с помощью предлагаемого способа, причем на фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ измерения временных интервалов по п. 1, а на фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов для него.

На фиг. 3 приведены структурная схема устройства, реализующего вариант способа по пункту 2 формулы, и на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие его.

Измерение временных интервалов в соответствии с первым пунктом предлагаемого способа производится следующим образом: измеряемый интервал подается на вход счетчика 6 Сч1, производящего подсчет количества периодов частоты эталонного генератора 1 за измеряемый интервал. Интервалы времени между началом измеряемого события и фронтом первого после него импульса эталонного генератора 1, на фиг. 2 обозначенный как dt1, и между концом измеряемого события и первым после него фронтом эталонного генератора 1, на фиг. 2 обозначенный как dt2, измеряются с помощью вспомогательного генератора 2 ВГ, формирователя 3 пилообразного напряжения ФПН и время-импульсного преобразователя 10 ПВИ. ПВИ состоит из следующих узлов: усилитель 4 выборки и хранения УВХ, компаратор 5 КОМП., детектор 7 совпадений фронтов ДС, счетчик 9 Сч2 и RS-триггер 11. Входной измеряемый сигнал Uвх, устанавливая на управляющем входе усилителя 4 выборки и хранения УВХ высокий потенциал (сигнал U5), включает режим хранения и УВХ запоминает уровень напряжения пилообразного сигнала U3, приложенного к ее сигнальному входу в этот момент с выхода формирователя 3 пилообразного напряжения ФПН, которое формируется из сигнала U2 стабильного генератора 2 ВГ. Этот же пилообразный сигнал подается на один вход компаратора 5 КОМП, на второй вход которого подается напряжение с выхода УВХ. Поскольку уровень напряжения на выходе УВХ в режиме хранения соответствует напряжению на уровне пересечения сигнала пилообразного напряжения и фронта измеряемого события, то импульсы U4 на выходе компаратора будут по фазе привязаны к фронту измеряемого события и по частоте равны сигналу генератора 2 ВГ. Так как период ВГ на 1/К больше периода эталонного генератора 1 ЭГ, то через (N1)/K периодов произойдет совпадение фронтов сигналов с выхода компаратора 5 и ЭГ, и детектор 7 совпадения фронтов ДС формирует импульс сброса для RS-триггера. При этом величина (N1)/K, умноженная на период ЭГ, с точностью до 1/К будет равна измеряемому отрезку dtl. Аналогичные операции проводятся и по отношению к отрезку dt2. Теперь для определения с точностью до 1/К полной длины интервала t_изм. достаточно в арифметическом устройстве 8 АЛУ к содержимому N0 счетчика 6 Сч1 прибавить величину, равную разности числа импульсов N1 и N2 для начала и конца измеряемого события, подсчитанные счетчиком 9 Сч2, и деленную на К. Достоинством этого способа является то, что поскольку мерой интервала dt является не длительность импульса пилообразного напряжения и не уровень напряжения в момент пересечения склона пилообразного напряжения и фронта измеряемого события, а количество импульсов стабильного по частоте генератора от момента пересечения до момента совпадения фронтов вспомогательного и эталонного генераторов, и, следовательно, на точность измерения не влияет ни форма склона пилообразного напряжения, ни уровень напряжения в момент пересечения. Единственное требование - неизменная форма пилообразного напряжения в период от момента пересечения до момента совпадения фронтов сигналов генераторов, а это не более K импульсов. Кратковременная стабильность за такой малый интервал времени может быть очень высокой. Так как в качестве вспомогательного генератора может использоваться генератор с кварцевой стабилизацией частоты, вполне достижим коэффициент интерполяции K более 500.

Для измерения временных интервалов с произвольным расположением фронта относительно импульса пилообразного напряжения и при конечной длительности заднего склона импульса пилообразного напряжения предлагается вариант изобретенного способа, заключающийся в том, что дополнительно введены (см. фиг. 4) сигналы U7 и U8 управляющего напряжения и дополнительно введен второй сигнал U6 пилообразного напряжения и обработка входного сигнала производится (см. фиг. 3) одновременно в двух идентичных параллельных ветвях (первая: формирователь 12 УН1, схема 19 И, RS-триггер 11, схема 4УВХ, схема 5 КОМП., схема 7 ДС, схема 21 ИЛИ и схема 3 ФПН1, и вторая: формирователь 13 УН2, схема 20 И, RS-триггер 18, схема 15 УВХ, схема 16 КОМП., схема 17 ДС, схема 22 ИЛИ и схема 14 ФПН2), причем пилообразные сигналы U3 и U6 сдвинуты по фазе так, что области заднего склона этих сигналов не перекрываются, а управляющие сигналы U7 и U8 каждой из ветвей запрещают обработку входного сигнала во время заднего склона прилообразного напряжения, и измерение производится в той ветви, в которой имеются оптимальные условия для этого.

Входной сигнал Uвх поступает одновременно на управляющий вход счетчика 6 Сч1 и на первые входы первой 19 и второй 20 схемы И. На второй вход первой схемы И поступает управляющий сигнал U7 от схемы 12 формирования управляющего напряжения УН1, а на второй вход второй схемы И поступает управляющий сигнал U8 от схемы 13 формирования управляющего напряжения УН2. Выходы схем 19 и 20 И подключены к S-входам RS-триггеров 11 и 18, которые дают сигналы U5 и U9 разрешения на выборку напряжений U3 и U6 от формирователей 3 и 14 пилообразного напряжения ФПН1 и ФПН2 усилителями 4 и 15 выборки и хранения УВХ, компараторы 5 и 16 производят решение сигналов U3 и U6 по выбранному уровню до тех пор, пока детекторы 7 и 17 совпадения фронтов не зафиксируют совпадение фронтов сформированных компараторами сигналов с фронтом сигнала U1 и не сбросят RS- триггеры 11 и 18, и соответственно усилители 4 и 15 выборки и хранения. Счетчик 9 Сч2 подсчитывает количество импульсов до момента совпадения (причем если управляющие напряжения разрешают обработку сигналов в обеих ветвях, то выходной сигнал U4 образован путем объединения по ИЛИ выходных сигналов ДС обеих ветвей, а если обработка в одной из ветвей запрещена, то выходной сигнал U4 образован выходным сигналом ДС другой ветви), и передает результат в арифметическое устройство 8 АЛУ, куда поступает также результат подсчета счетчиком 6 Сч1 количества импульсов N0 сигнала U1 между фронтами измеряемого события U_ВХ. Результат измерения определяется по формуле t_изм=T0(N0+(N1 - N2)/K), приведенной в первой части описания.

Формула изобретения

1. Способ измерения временных интервалов с применением эталонного генератора, заключающийся в подсчете количества периодов частоты эталонного генератора за измеряемый интервал времени, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности измерения до 1/К (К - коэффициент интерполяции) периода частоты эталонного генератора, из сигнала стабильного вспомогательного генератора с частотой, в (1 + 1/К) раз меньшей частоты эталонного генератора, формируют сигнал пилообразного напряжения, промежуток между началом измеряемого интервала и первым фронтом последовательности импульсов эталонного генератора, заключенной между началом и концом измеряемого интервала, принимают равным с точностью до 1/К периода эталонного генератора числу периодов частоты вспомогательного генератора, взятых на уровне момента пересечения начала измеряемого интервала и переднего склона пилообразного напряжения и заключенных между началом измеряемого интервала и фронтом первого после начала интервала импульса эталонного генератора, совпадающим или опережающим момент пересечения, промежуток между концом измеряемого интервала и первым после конца интервала фронтом импульса эталонного генератора - равным с точностью до 1/К периода эталонного генератора числу периодов частоты вспомогательного генератора, взятых на уровне момента пересечения конца измеряемого интервала и переднего склона пилообразного напряжения и заключенных между концом измеряемого интервала и фронтом первого после конца интервала импульса эталонного генератора, совпадающим или опережающим момент пересечения, а измеряемый интервал времени - равным произведению, первый сомножитель которого равен числу периодов частоты эталонного генератора плюс число периодов частоты вспомогательного генератора между началом измеряемого интервала и фронтом первого после начала интервала импульса эталонного генератора, совпадающим или опережающим момент пересечения, деленное на К, минус число периодов частоты вспомогательного генератора между концом измеряемого интервала и фронтом первого после конца интервала импульса эталонного генератора, совпадающим или опережающим момент пересечения, а второй сомножитель равен периоду частоты эталонного генератора.

2. Способ измерения временных интервалов по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вводят сигналы управляющего напряжения и второй сигнал пилообразного напряжения, а длительности промежутков между началом измеряемого интервала и первого после начала импульса эталонного генератора, а также между концом измеряемого интервала и первым после него фронтом импульса эталонного генератора измеряют одновременно двумя идентичными параллельными ветвями обработки входного сигнала, причем сигналы пилообразные напряжения, подаваемые на эти ветви, сдвигают по фазе таким образом, что области спада этих сигналов не перекрываются, управляющими сигналами каждой из ветвей запрещают обработку входного сигнала во время заднего склона пилообразного напряжения, а измерение производят в той ветви, в которой в момент измерения имеется передний склон пилообразного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4