Устройство для определения повторяющихся временных интервалов
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН Ия
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
455346
Союз Советских
Социалистических
Республик (61) Зависимое от авт, свилетельства— (22) Заявлено 29.05.72 (21) 1790533/1 8-24 с присоединением заявки №вЂ” (32) Приоритет—
Опубликовано 30.12.74. Бюллетень № 48
Дата опубликования описания 26.03.75 (51) М. Кл. С OGf 15/36
Гасударственный комитет
Совета Министров СССР по делам иэобретений и открытий (53) - 3K 681.3:519.2 (088.8) (72) Авторы изобретения
В. Г. Стругач и Г. П. Заславская
Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина) (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПОВТОРЯЮЩИХСЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ
Изобретение относится к области импульсной техники, а именно к устройствам для определения повторяющихся временных интервалов и может оыть использовано в тех ооластях техники, где необходимо измерение повторяющихся интервалов времени или других величин, которые преобразуются во временной интервал, например, в фазовых измерениях, при измерении электрического напряжения, тока, температуры и т. п.
Известны устройства для измерения повторяющихся временных интервалов, основанные иа методе последовательного счета, нониусном стробоскопическом и других методах.
Особый интерес представляют устройства, основанные на методе статистических испытаний (методе Монте-Карло), применяющиеся для измерения повторяющихся временных интервалов, преимущественно малой величины.
Они содержат генератор случайного потока, логический блок для выявления случаев поII333HHsI хотя бы одного случайного импульса на измеряемый интервал, вентили, счетчик числа благоприятных исходов, формирующую схему, схему управления, схему сброса и счетчик числа испытаний. Это устройство отличается от других известных устройств тем, что ие налагает ограничений на характер потока измеряемой информации, имеет больший диапазон измерс1шя и ие содержит оыстродействующих узлов.
Однако применение двух счетчиков значительной емкости и специальной схемы управ5 ления, необходимой для жесткой син.,ронизации работы всех узлов, усложняет устройство и уменьшает его надежность, осооенно при
IIaЛИЧИИ ПОМЕХ.
Цель изобретения — повышение надежности
10 и точности работы устройства.
Это достигается путем использования двух логических блоков для выявления совпадешш измеряемых и случайных импульсов и блока измерения разности интенсивностей (БИР)
15 случайных импульсных потоков, а в качестве генератора случайного потока (ГСП) используется ГСП с регулируемой интенсивностью (средней частотой).
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства
20 для измерения повторяющихся временных ингервалов; на фиг. 2 показано вероятностное распределение простейшего импульсного погока; на фиг, 3 — временная диаграмма, иллюстрирующая работу устройства.
25 Блок-схс»а содержит генератор 1 случайного потока импульсов; источник 2 потока импульсов, длительность которых подлежит измерению; логический блок 3, служащий для выявления случаев отсутствия попадания слу30 чайных импульсов на измеряемый временной
455346 интервал; логический блок 4, выявляющий случаи попадания ровно одного импульса на измеряемый интервал; блок 5 измерения разности интенсивностей случайньгх импульсных потоков; 6 — 9 — логические схемы «И» совпадений; дифференцирующие цепи 10 и 11; логические схемы 12 и 13 запрета; цепи 14 и
15 задержки и триггеры 16, 17 и 18.
Генератор случайного потока и источник потока импульсов измеряемой длительности подключены к входам логических блоков 3 и
4, а выходы последних блоков — к входам блока 5 измерения разности интенсивностей.
Логический блок 3 содержит схему 6 совпадения, к входам которой подключены генератор 1 и исто пшк 2 измеряемых интервалов.
Выход схемы 6 чсрез схему 12 запрета связан с одним из входов триггера 16, выходы которого подключены к схеме 12 запрета и к одному из входов схемы 7 совпадения. Выход схемы 7 соединен с первым входом блока 5. К второму входу схемы 7 подключен выход дифференцирующсй цепи 10, который одновременно через цепь 14 задер>ккп, связан с вторым входом триггера 16, а вход схемы !0 подключен к источнику 2 измеряемых интервалов.
1(входам схемы 8 совпадения подсоединены генератор и источник 2. Выход схемы 8 чсрсз схему 13 запретя подключен к одному из входов триггера !7, BhlxoJII>1 которого сосдинены с Входом триггер» 18 (Выход которого подключен к второму входу схемы запретя
13) и к одному из Bxo/308 схсмы 9 сови»дещ!я, Выходом сВязЯи ной с Вторн!1>! Входо131 б Iol(» 5.
1, Втором) Вход>> схемы 9 водил!О>l(. и Выход дифферснцирующ(й цепи 11, который одновременно через цсиь !5 задержки !юдключси к вторым входам трнп еров 17 II 18, Я Вход схемы 11 подклк)чси к источнику 2, Принцип действия устройства основан на следующих математических соотношениях, Предполагают, что случайный импульсный поток, создаваемый генератором 1, являстся стационарным простейшим (пуассоновским) потоком. Для такого потока вероятность попгlдя ни!1 !)013110 /)г. имиул1>сОВ этОГО !1Оток» ня
lI(. .еотОРыи:3»Д»нн11Й II I IT(. J)I3IIЛ ВРС !сни < ОпРе делястся соотlloll)BI!I!Ox! где(гг =О, 1,2,3, ...; (— плотность (интенсивность, средняя частота) простейшего стационарного потока. Интервал времени в выражении (1) полагают равным измеряемому временному интервалу.
Для наглядности на фиг. 2 показан график зависимости Рггг -. =- f(,,-.)„,,„„,.! в соотвстст вни с выражением (1), где 1,,— - вероятность попадания ровно т случайных импульсов на измеряемый интервал времени (т (и =-- О, 1,2, 3...); — средняя частота случайного потока; — измеряемый интервал.
На графике наблюдается следующая закономерность: точки пересечения смежных кривых (соответствующих смежным значениям т) соответствуют целым значениям аргумента
).-., причем точке пересечения некоторой про5 извольной k-й кривой с (k — 1) кривой (иначе — точке равенства вероятностей Р„, и Р,
> I соответствует значение i;. = k(k = 1, 2,)
3, ...).
Исходя из выражения (1), для т = /г и ьч = /г — 1 получают: (j.;) 1(Р„= е; (2)
/(l (>,р.) >() j
Р(-,-. = е ° (3) (/ — !)
)5 (/г =1,2,3, ...)
При сравнении выражений (2) и (3) видно, что равенство функций (2) и (3) имеет место
20 пРИ вЂ” (/г=1,2,3,,) (6)
Д.>!3! построения измерительного устройства мо>кет быть использован более общий принцип рявсштвя произвольной пары вероятностен /)(з, и рг(д,,-. (/l =..-1; /г - /1), например рр.
)O„1) и р.-, р, и р,, и т. и. Это видно из фиг. 2: любая кривая пересекается не только со сме>кной, но и со всеми другими кривыми семейства, и точкам пересече)!3!я однозначно соответствуют вполне определенные значения аргух!Сит!! ),-., я следовательно и —.. Анализ покяЗЯЛ, IТО 13 ДЯНI!Ом (ЛУ>ЧЯ(ХIОЖИО ПОВЬ1СИTI>
ТО I IIO(.ТЬ ИЗМСР(-ИИЯ. ОДН<1КО (. ТО 1КИ ЗР(>НИЯ простоты тсхни>!еско!! реализации целесообразное использовать случай смежных B(роят ногтей р„и р„
Поскольку невозможно привести схех!у устройства для произвольного значения параметра /г, сохранив достаточную ясность и кон55 кретность, приведена схема, соответствующая
/г .= 1. Схема работает следующим ооразом.
11а Входы логи>!есl(llx блоков 3 ll 4 от генератора подается стационарный простейнп(й случайный поток коротких импульсов (:.—
60 их!пульсов). В генераторе 1 предусмотрена возможность плавной регулировки интенсивности). потока. Ня другие входы блоков 3 и 4 от источника 2 поступает поток прямоугольIlI,Iv импульсов, длительность которых -. под55 лежит измерению (в зависимости от конкрети
=1; i;. =lг. (4)
На основе этого может быть осуществлено измерение временного интервала. Полагая 5 значение -. в выражениях (2), (3) и (4) фиксированным и равным измеряемой величине, путем регулирования интенсивности случайноГО потока i. до(шваются равенства выра>кений (2) н (3)
Р =1 (5)
Д>!лес находят искомый временной интерВЯ,! I
45с 346 ной схемной реализации этот поток может быть представлен исltoсрсдственио измеряемыми Вреite)IHI II>th инте() Вя 13 x) II, задяВЯ(>мыми короткими импульса.,:и).
На фиг. 3 приведена времсшгая диаграмма рябо! I>t устройства, где:
Ut — сигнал ня выходе генератора случяй-! юго потока;
Uq — импульсы изме!,ясмой длительности; (/ — сигнал на выходе логического блока 4;
U4 — сигнал на выходе логического блока 3.
Поток U может быть произвольно регулярным или случайным, причем требование его стационариости не является обязательным.
Пусть средняя интенсивность этого потока равна .и. Если за время действия очередности измеряемого импульса потока Uq пя вход блока 3 ие поступает ни одного случайного импульса потока UI от генератора 1 (если на измеряемый интервал не попадает ии одного случайного импульса), то по окончании этого интервала иа выходе блока 3 возникает импульс. Блок 4 формирует импульсы иа своем выходе в тех случаях, когда на измеряемьш интервал попадает ровно один случайньш импульс. Блок 3 работает следующим образом (rn = О).
Поток импульсов от генератора 1 поступает на вход схемы 6 совпадений, а па другой ее вход от источника 2 подастся поток импульсов измеряемой длительности. Если зя время очередного измеряемого импульса не пришло ни одного импульса от генератора 1, ня выходах схем 6 и 12 сип!ала не возникает, и триггер 16 остается в исходном состоянии, при этом высокий потенциал («1») его правого плеча присутствует на входе схемы 7 в течение всего времени действия измеряемого интервала. В момент окончания последнего диффереицирующая цепь 10 формирует импульс, который поступает па второй вход схемы совпадения 7; поскольку на ее первом входе присутствует «1», на выходе схемы 7, т. е. на выходе всего блока 3, возникает сигнал, свидетельствующий о том, что на данпьш временной интервал не попало нн одного случайного импульса.
Если в течение действия измеряемого интервала с генератора 1 приходит один (первый) импульс, на выходе схемы 6 возникает сигнал, проходящий через )юрмлльно открытую схему
12 запретя ня вход триггера 16 и приводящий его в другое устойчивое состояние. При этом потенциал на его правом плече Il ня входе схемы 7 становится низким («О»), н импульс, посту«я)ощий с диффереицнрующсй цепи 10 на второй вход схемы 7 в момент окончания измеряемого интервала, не проходит на выход схемы 7 (и всего блока 3).
В момент перехода триггера 16 в другое устойчивое состояние высокий потенциал с левого плеча поступает «3 второй вход схемы 12 запрета, что исключает возможность прохождения сип)ялов на вход счетчика триггера 16 в том случае, если на измеряемый интервал > !
О
> )
1()
4, э
:)0 >(>
6о попадает больше одного импульса от генератора 1. Задний фронт измеряемого импульса с выхода схемы 10 через цепь 14 задержки устанавливает триггер 16 в исходное состояние, подГQT38л«Вяя (xextx 0;)О!<3 3 1< 1)pllxoду С.1сд\ ющего измеряемогo импульса (схема задержки необходима для того, чтобы Itc),1toчить возможность исчез)ювсння и)I(!)opì31()«) о состоянии триггера I) момент o)
Работа блока 4 происходит следующим образом (ьч = 1).
Структура блока и логика его работы аналогичны блоку 3. Отличие состоит в добавлении еще одного триггера 18 (который вместе с первым триггером 17 образует двухразрядньш счетчик) и соответствующем изменении некоторых связей между элементами. Если за время действия измеряемого интервала на входе схемы 8 совпадения па второй ее вход не приходит ни одного импульса от генератора 1, нл выходе схемы 8 сигналя не возникает, и счетчик остается в исходном состоянии. При этом низкий потенциал («О») с левого пле га триггера 17 присутствует нл входе схемы 9 в течение всего времени измеряемого интервала, Вследствие этого задний фронт импульса измеряемой длительности, которьш поступает с выхода дифферснцирующей цепи 11 пя второй вход схемы 9 нс Ilpoxo;Ièò на вы. Од схемы 9 ())) txoд всего блока 4) .
Если за измеряемый I)l)T<ðâëë I)pltxoäèò один (первый) случайньш импульс, «3 и!ходе схемы 8 возникнет сип!Ял, который поступле) через открытую схему 13 нл 1)xo;j триггера 17 и переводит его в другое устойчивое состояние. При этом высокий потенциал, возникший на левом плече триггера 17, подлется на вход схемы 9, что позволяет заднему фронту измеряемого импульса пройти на выход схемы 9.
В случае, когда за время рассматриваемого измеряемого импульса (интервала) приходит второй импульс от генератора 1, )13 выходе схемы 8 появляется второй импульс, который, пройдя через схему 13, переводит триггер 17 в исходное состояние, л триггер 18 — - в новое состояние (в счетчике фиксируется число 2).
При этом па левом плече триггера 17 (нл вх<>;lс схемы 9) в!ювь возникает низкий потенциал, что искл!О>)лет возимо)к«ость нояв Iel«lst сигналя нл ВыхО;!с (>
Одновременно высокий )t«TO))t«)лл с левогс плеча триггера 18 «оступяс) )t;I второй (з;!прсщающнй) Bxo;(схемы 13, и прок(>ждеш!с импульсов с вьlхода cxeмы 8 н(1 с>)СГ>пн< «своз можно в том случае, если в течение измеряемого интервала с генсрлтора 1 поступает третий, четвертый и т. д, импульсы.
Цепь 15 и связи, Обеспечивающие с ор(>с счеT «)!<3> (1)>) 111<11,)101«)p) )oT T3)<)) В общем случле (для произвольного п)=lг) схема . IОГическОГО ОЯОк 1;!О. жи)1 сод(. ржать счетчик емкостью Л,, = /; + 1, дешифратор 455346 (7) (8) откуда )р )., (10) кода, разрешанпций прохождение импульса на выход, если в счет Iике записано / импульсов, и схему запрета, блокирующую вход счет(1ика, если в ием фиксируется /г + 1 ими) лbc.. Таким образом, па выходах блоков 3 и 4 образуются импульсные потоки, случайные по моментам появления импульсов (фиг. 3). Средиие интенсивности этих потоков составл я1от где )з — средняя интенсивность потока па выходе блока 3; ) 4 — средняя интенсивность потока иа выходе блока 4; ) „— средняя интенсивность потока измеряемых импульсов. I- „-. — Р, -. — вероятность попадания соответственно 0 и 1 случайного импульса па измеряемый интервал. Bi>1 IIIi ая Bi>lp33 i.i -- i„, -= i.„(Є-. -- Р1, —. ), (9) Р„-. — Р1--.. )и Из формулы (10) следует, что разность рассматриваемых вероятностей Рр и Р1 пропорциональна разности средних интенсивностей ),3 и ) 4 потоков па выходах логических блоков 3 и 4. Отсюда вытекает, что условие равенства вероятностей (5) выполняется в том случае, когда стаиовится равпой иулlо разность интенсивностей i.. — i„, —;. 0 ())) )разность интенсивностей фиксируется с помощью олока 5. Плавно регулируя величину интенсивности i.ïîòîêà от генера" îðà 1,,подбира1от такое зиачеиие ) > при котором бло1< 5 фиксирует равенство интеtlcIIBIIocTell (11) потоков па выходах блоков 3 и 4. При этом выполняются соотпошегп1я (4) и (5), ii величина измеряемого иитервала времени иаход1ггся в (.ooTBeI cTBI1It с формулой (6) из выра>кения ! Шкала генератора может быть отградуироваиа в единицах i, либо непосредственно в единицах измеряемой величины —.. Как следует из выражения (6), значение /г может быть выорапо равным сиобому натуральному числу (кроме /г = О). Конкрет1юе зпачецие / определяется порядком измеряемой величины и возмо>киыми пределами регулирования интенсивности i. потока от генератора 1. Поскольку предлагаемое устройство наиболее эффективпо при измерении малых временных интервалов, нецелесообразно выбирать слишком большие значения /:, так как это требует увеличеr> l0 20 5 00 > >> 05 иия иптенсивносрч1 i.. Кроме того, увеличеиие /г усложняет структуру логических блоков 3и4. В качестве блока измерения разности интепсив(юстей 5 в устройстве целесообраз1ю iicпользовать схему, достоинством которой является независимость погрешности измерепия от величины измеряемой разности интенсивностей. Это особенно важно для данного устройства, где требуется iie измерять разность вообще, а оценивать малые отклонения этой разности от нуля. Условием «уравновешивания» устройства (равенства соответствующих вероятностей и HllTeIIcIIBIIocTeH) является соотиошепие (4) . Это выражение не содержит ).„— интенсивности потока измеряемых времеппых иптерва;ioB. Отсюда следует важный практический ьп>1вод, что эта интенсивность может быть непостоянной, т, е, поток, задающий измеряемые интервалы, может быть пестационариым. В частном случае, когда этот поток является регулярным (что практически часто имеет место), к стабильности частоты () /„) потока не предъявляется жестких требований. Следует обеспечить только достаточно большое значение интенсивности i.„, поскольку последняя, как это видно из выра)кения (9), определяет чувствительность работы устройства: чем больше ),„, тем больше разность интенсивностей па входе блока 5, вызва1шая задаиной раз1н1стью вероятиостей. Из принципа работы предлагаемого устройства следует, что время измерения ие является жестко ()IIII Постоянство ). должно быть обеспечено лишь на время измерения, которое при измерении малых интервалов достаточно мало (может не превышать 0,1 — 1 сек). Таким образом, простейший поток от генератора 1 дол)кец (It>ITh стационарным лишь па огра1шченных интервалах времени. Это существенно упрощает конструкцию генератора. Кроме того. для предлагаемого устройства характерна независимость методической погрешности измерения от величины измеряемого интервала времени. Эти преимущества устройства достигаются ие за счет усложнения конструкции, а в результате иного принципа построения, позволяющего существенно упростить коиструкцшо устройства. Как показали исследования, устройство ооладает достаточно высокими метрологически455346 l0 ми характеристиками. Так, измерение временных интервалов в диапазоне -. = 1,1 — 10 мксек может быть выполнено с относительной погрешностью o-. = 0,5% (надежность = 9б,0%), при этом время измерения в указанном диапазоне изменения интервалов составляет t„„,= GO,G — 6 сек (при условии, что скважность измеряемого потока Q = 2), а интенсивность случайного потока регулируется в пределах, = 10 — 10 1/сек, Предмет изобретения Устройство для определения повторяющихся временных интервалов, содержащее генератор случайного потока пмпульсов, логический блок, источник потока измеряемых интерва108, от,гичаюи ееся тем, что, с целью повышения надежности и точности работы устройст5ва,,оно содержит блок измерения разности интенсивностей и дополнительный логический блок, первый вход которого 11(). êëî÷åí к источнику потока измеряемых интервалов и к первому входу логического блока. второй вход ! О которого соединен с генератором случайного потока и с вторым входом дополнительного логического блока, выходы логических блоков подключены к олоку измерения разности интенсивностси, 455346 ) Рлэ о О,7 Фиг Р Llд (rn =0) г/у (я=1) Составитель Г. Заславская Редактор Т. Рыбалова Техред Г. Васильева Корректор В. Брыксина Заказ 857 Изд. № 1013 Тираж 624 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/б Череповецкая городская типография
