Устройство для измерения критической частоты световых мельканий
Владельцы патента RU 2331356:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Марийский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения критической частоты световых мельканий. Заявляемое устройство содержит генератор линейно изменяющегося напряжения, переключатель режимов, преобразователь напряжение-частота, RS-триггер, кварцевый генератор, D-триггер, вентиль, счетчик, делитель на два, вычислитель обратной величины, источник световых импульсов, первый, второй и третий одновибраторы, блок индикации, первый ключ установки генератора в режим генерации нарастающего напряжения, второй ключ установки генератора в режим генерации падающего напряжения, третий ключ увеличения частоты генератора на 0,1 Гц и тумблер. Использование устройства позволяет уменьшить погрешность измерения критической частоты световых мельканий. 3 ил.
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения критической частоты световых мельканий.
Известно устройство для измерения критической частоты световых мельканий, содержащее ключи "Увеличение частоты" и "Уменьшение частоты", тумблер "КЧСМ", блок индикации, одновибратор, вентиль, счетчик и последовательно соединенные переключатель режимов, генератор линейно изменяющегося напряжения, преобразователь напряжение-частота, источник световых импульсов, причем выходы ключей соединены с входами переключателя режимов, нормально-разомкнутый выход тумблера - с входом одновибратора, нормально-замкнутый - с входом обнуления счетчика, выход одновибратора соединен с вторым входом вентиля, первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, выход - со счетным входом счетчика, выход счетчика соединен с входом блока индикации (патент РФ №2141253).
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения критической частоты световых мельканий, так как она определяется при непрерывно изменяющейся частоте, а глаз человека более чувствителен к восприятию дискретно изменяющейся частоты [1].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения критической частоты световых мельканий, содержащее генератор линейно изменяющегося напряжения, преобразователь напряжение-частота, источник световых импульсов, первый ключ установки генератора в режим генерации нарастающего напряжения, второй ключ установки генератора в режим генерации падающего напряжения, третий ключ увеличения частоты генератора на 0,1 Гц, переключатель режимов, тумблер, первый и второй одновибраторы, вентиль, счетчик и блок индикации, причем переключатель режимов, генератор линейно изменяющегося напряжения, преобразователь напряжение-частота и источник световых импульсов соединены последовательно, а выходы первого и второго ключей соединены с входами переключателя режимов, нормально-разомкнутый выход тумблера - с входом первого одновибратора, нормально-замкнутый - с входом обнуления счетчика, выход первого одновибратора соединен с вторым входом вентиля, первый вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, выход - со счетным входом счетчика, выход счетчика соединен с входом блока индикации, выход третьего ключа соединен с входом второго одновибратора, выход которого соединен с третьим входом переключателя режимов (патент РФ №2219821).
Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения критической частоты световых мельканий. В лучшем случае, если для формирования импульса длительностью 1 с вместо первого одновибратора использовать кварцевый генератор, предел допускаемой абсолютной погрешности измерения частоты Δпред. част равен [2]:
где δкв - общая погрешность кварцевого генератора (средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора); fизм - значение измеряемой частоты за время Δtк; Δtк - калиброванный интервал времени.
Средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора δкв согласно технической документации равна ±1·10-6. Диапазон предъявляемых частот световых мельканий в устройствах для измерения КЧСМ принят от 20 до 60 Гц. Калиброванный интервал времени Δt в известных устройствах, в течение которого происходит подсчет импульсов, равен 1 с. Тогда предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении КЧСМ:
Предел допускаемой относительной погрешности δпред. част, выраженной в процентах от измеряемого значения, при измерении частоты равен [2]:
где δкв - общая погрешность кварцевого генератора (средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора); n - количество импульсов, сосчитанное в течение калиброванного интервала времени.
Количество импульсов n, сосчитанное в течение калиброванного интервала времени 1 с при генерируемой исходной частоте 20 Гц, равно 20, тогда предел допускаемой относительной погрешности при измерении КЧСМ:
Заявляемое устройство позволяет уменьшить погрешность измерения критической частоты световых мельканий.
В предлагаемом изобретении в устройство для измерения критической частоты световых мельканий, содержащее генератор линейно изменяющегося напряжения, переключатель режимов, преобразователь напряжение-частота, первый и второй одновибраторы, вентиль, счетчик, источник световых импульсов, блок индикации, первый ключ установки генератора в режим генерации нарастающего напряжения, второй ключ установки генератора в режим генерации падающего напряжения, третий ключ увеличения частоты генератора на 0,1 Гц и тумблер, причем переключатель режимов, генератор линейно изменяющегося напряжения, преобразователь напряжение-частота и источник световых импульсов соединены последовательно, выходы первого и второго ключей соединены с входами переключателя режимов, нормально-разомкнутый выход тумблера - с входом второго одновибратора, нормально-замкнутый - с входом обнуления счетчика, выход третьего ключа соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с третьим входом переключателя режимов, выход вентиля соединен со счетным входом счетчика, дополнительно введены RS-триггер, D-триггер, делитель на два, третий одновибратор, кварцевый генератор и вычислитель обратной величины, причем S-вход RS-триггера соединен с выходом второго одновибратора, выход - с входом разрешения счета делителя на два и с D-входом D-триггера, С-вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, выход - с первым входом вентиля, второй вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, счетный вход делителя на два соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, выход - со входом третьего одновибратора, выход которого соединен с R-входами RS-триггера и D-триггера и с первым входом вычислителя обратной величины, второй вход которого соединен с выходом счетчика, выход - с входом блока индикации.
Заявляемое устройство благодаря введению RS-триггера, D-триггера, делителя на два, третьего одновибратора, кварцевого генератора и вычислителя обратной величины позволяет уменьшить погрешность измерения критической частоты световых мельканий.
Таким образом, заявляемое устройство отличается от известных новым свойством, обусловливающим получение положительного эффекта.
На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 - временная диаграмма изменения частоты световых мельканий, на фиг.3 - временная диаграмма работы устройства.
Заявляемое устройство содержит генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, переключатель 6 режимов, преобразователь 8 напряжение-частота, RS-триггер 10, кварцевый генератор 11, D-триггер 12, вентиль 13, счетчик 14, делитель на два 15, вычислитель 16 обратной величины, источник 17 световых импульсов, первый, второй и третий одновибраторы 7, 9 и 18, блок 19 индикации, первый ключ 1 установки генератора 5 в режим генерации нарастающего напряжения, второй ключ 2 установки генератора 5 в режим генерации падающего напряжения, третий ключ 3 увеличения частоты генератора 5 на 0,1 Гц и тумблер 4.
В качестве генератора 5 линейно изменяющегося напряжения используется стандартный интегратор на операционном усилителе с резисторами на входе, коммутируемыми переключателем 6, чтобы получить различную скорость нарастания напряжения на выходе генератора 5, а изменяя полярность входного напряжения - изменять направление интегрирования (нарастание или падение выходного напряжения).
Кварцевый генератор 11 предназначен для генерации частоты 10 КГц и может быть выполнен по известной схеме.
Вычислитель 11 обратной величины может быть выполнен по а.с. 1173412 [3].
Ключи 1-3 представляют собой ручные переключатели на два положения для замыкания и размыкания электрических цепей управления и выполнены в виде кнопок управления.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии тумблер 4 находится в положении "Измерение", как показано на фиг.1. При включении питания RS-триггер 10, D-триггер 12, делитель на два 15 и выходной регистр вычислителя 16 обнуляются (цепи не показаны). Генератор 5 выдает на преобразователь 8 постоянное напряжение, соответствующее начальной частоте F1=20 Гц световых мельканий. Преобразователь 8 преобразует это напряжение в частоту, которая управляет источником 17 (фиг.2, интервал времени 0-Т1).
Испытуемый замыкает ключ 1 (фиг.2, момент времени Т1) и через переключатель 6 устанавливает генератор 5 в режим генерации линейно нарастающего напряжения, соответствующего скорости изменения частоты световых мельканий порядка 20 Гц/с. Преобразователь 8 преобразует это напряжение в пропорционально изменяющуюся частоту, которая источником 17 преобразуется в световые импульсы, предъявляемые испытуемому (фиг.2, интервал времени Т1-Т2).
На интервале времени Т1-Т2 испытуемый, удерживая ключ 1 в замкнутом состоянии, определяет момент слияния световых мельканий, в который размыкает ключ 1 (фиг.2, момент времени Т2, частота F2). При этом генератор 5 сохраняет на выходе постоянное напряжение, соответствующее частоте F2.
Затем испытуемый замыкает ключ 2 (фиг.2, момент времени Т3) и через переключатель 6 устанавливает генератор 5 в режим генерации линейно падающего напряжения, соответствующего скорости изменения частоты световых мельканий порядка 1 Гц/с. Преобразователь 8 преобразует это напряжение в пропорционально изменяющуюся частоту, которая источником 17 преобразуется в световые импульсы, предъявляемые испытуемому (фиг.2, интервал времени Т3-Т4).
На интервале времени Т3-Т4 испытуемый, удерживая ключ 2 в замкнутом состоянии, определяет момент различения световых мельканий, в который размыкает ключ 2 (фиг.2, момент времени Т4, частота F3). При этом генератор 5 сохраняет на выходе постоянное напряжение, соответствующее частоте F3.
Далее испытуемый последовательным замыканием ключа 3 определяет действительное значение F критической частоты световых мельканий (фиг.2, интервал времени Т4-Т5). При каждом замыкании ключа 3 первый 7 одновибратор вырабатывает импульс, длительность которого соответствует увеличению частоты на выходе преобразователя 8 на 0,1 Гц. После момента времени Т5 генератор 5 сохраняет на выходе постоянное напряжение, соответствующее частоте F. Преобразователь 8 преобразует это напряжение в частоту, которая источником 17 преобразуется в световые импульсы, предъявляемые испытуемому (фиг.3а).
По окончании измерений испытуемый переводит тумблер 4 в положение "Считывание", второй 9 одновибратор вырабатывает короткий импульс (фиг.3б), который устанавливает RS-триггер 10 в единицу (фиг.3в), поступающую на вход разрешения счета делителя 15 и на D-вход D-триггера 12. По фронту очередного импульса с выхода преобразователя 8 (фиг.3а) в D-триггер 12 записывается единица (фиг.3г), открывающая вентиль 13. По фронту следующего импульса с выхода преобразователя 8 (фиг.3а) выход делителя 15 устанавливается в единичное состояние, по его фронту запускается третий одновибратор 18, вырабатывающий короткий импульс (фиг.3д), который сбрасывает RS-триггер 10 (фиг.3в) и D-триггер 12 (фиг.3г) в нулевое состояние, сигнал со входа разрешения счета делителя 15 снимается, вентиль 13 закрывается.
Частота с выхода кварцевого генератора 11 проходит через открытый вентиль 13, на выходе которого формируется пачка импульсов (фиг.3е), число импульсов в пачке равно длительности импульса на выходе D-триггера 12, то есть периоду критической частоты световых мельканий с точностью 0,1 мс (фиг.3а). Пачка импульсов поступает на счетный вход счетчика 14, результат счета записывается импульсом с выхода третьего 18 одновибратора в вычислитель 16, результат вычисления, равный критической частоте световых мельканий с точностью до 0,1 Гц, поступает в блок 19 индикации.
Предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении интервалов времени Δпред. вр равен [2]:
где δкв - общая погрешность кварцевого генератора (средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора); Δt - измеряемый интервал времени; 
- погрешность преобразования (среднеквадратическая относительная погрешность запуска); h - отношение сигнал/помеха; Тсч - период следования счетных импульсов.
Средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора δкв согласно технической документации равна ±1·10-6. Диапазон измеряемых интервалов времени Δt при измерении КЧСМ в диапазоне от 20 до 60 Гц, равных одному периоду КЧСМ, составляет от 17 до 50 мс, период следования счетных импульсов Тсч при частоте кварцевого генератора 10 КГц равен 0,1 мс.
Примем отношение сигнал/помеха 40 дБ, так как незаметность помехи на визуальном изображении обеспечивается при соотношении сигнал/помеха порядка 41,5 дБ [4], тогда h=100, среднеквадратическая относительная погрешность запуска:
предел допускаемой абсолютной погрешности при оценке времени восстановления:
Предел допускаемой относительной погрешности при измерении интервалов времени δпред. вр, выраженной в процентах от измеряемого интервала времени Δt, равен [2]:
где δкв - общая погрешность кварцевого генератора (средняя относительная нестабильность частоты кварцевого генератора); - погрешность преобразования (среднеквадратическая относительная погрешность запуска); h - отношение сигнал/помеха; m - число счетных импульсов, заполняющих измеряемый интервал времени Δt.
Так как диапазон измеряемых интервалов времени Δt при оценке времени составляет от 17 до 50 мс, период следования счетных импульсов Тсч равен 0,1 мс, то число счетных импульсов m, заполняющих измеряемый интервал времени Δt равно от 170 до 500. Тогда предел допускаемой относительной погрешности при оценке времени:
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет уменьшить погрешность измерения критической частоты световых мельканий.
Источники информации
1. А.с. 1346136 СССР, МКИ А61В 5/16. Устройство для исследования критической частоты слияния мельканий / В.А.Максимович, В.И.Прокопец (СССР). - 4 с.
2. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2 т. Т.2. / Под ред. Д.П.Линде. - М.: Энергия, 1978. - 328 с.
3. А.с. 1173412 СССР, МКИ G06F 7/52. Устройство для вычисления обратной величины 48-разрядных чисел / А.Е.Боярский, Ю.В.Захаров, Ю.И.Митропольский и др. (СССР). - Опубл. 15.08.1985, Бюл. №30.
4. Красильников Н.Н. Обобщенная функциональная модель зрения и ее применение в системах обработки и передачи изображений // Автометрия. - 1990. - №6. - С.7-14.
Устройство для измерения критической частоты световых мельканий, содержащее генератор линейно изменяющегося напряжения, переключатель режимов, преобразователь напряжение-частота, первый и второй одновибраторы, вентиль, счетчик, источник световых импульсов, блок индикации, первый ключ установки генератора в режим генерации нарастающего напряжения, второй ключ установки генератора в режим генерации падающего напряжения, третий ключ увеличения частоты генератора на 0,1 Гц и тумблер, причем переключатель режимов, генератор линейно изменяющегося напряжения, преобразователь напряжение - частота и источник световых импульсов соединены последовательно, выходы первого ключа установки генератора в режим генерации нарастающего и второго ключа установки генератора в режим генерации падающего напряжений соединены с входами переключателя режимов, нормально-разомкнутый выход тумблера - с входом второго одновибратора, нормально-замкнутый - с входом обнуления счетчика, выход третьего ключа увеличения частоты генератора на 0,1 Гц соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с третьим входом переключателя режимов, выход вентиля соединен со счетным входом счетчика, отличающееся тем, что в него дополнительно введены RS-триггер, D-триггер, делитель на два, третий одновибратор, кварцевый генератор и вычислитель обратной величины, причем S-вход RS-триггера соединен с выходом второго одновибратора, выход - с входом разрешения счета делителя на два и с D-входом D-тригтера, С-вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, выход - с первым входом вентиля, второй вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, счетный вход делителя на два соединен с выходом преобразователя напряжение-частота, выход - со входом третьего одновибратора, выход которого соединен с R-входами RS-триггера и D-триггера и с первым входом вычислителя обратной величины, второй вход которого соединен с выходом счетчика, выход - с входом блока индикации.
