Цифровой частотомер

 

Союз Советских

Соцнапнстнчвсинх

Респубпнк

< 892332 (6I ) Дополнительное к авт. свив-ву— (22) Заявлено 23. 04. 80 (2I ) 2912540/18-21 с присоединением заявки М— (23) П риоритет— (5 l ) М. Кл.

G 01 R 23/00

3Ъеудвретванвй кемитвт

СССР до делам нввбрвтвннН н отхрытнН

Опубликовано 23. 12. 81. Бюллетень М 47

Дата опубликования описания 23. 12. 81 (53) УДК621. 317.

° 7(088. 8) — ——

1 !

I (72) Авторы изобретения

В. Г. Патюков и M. К. Чмых

Красноярский политехнический институт" (7I) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения частоты и периода исследуемого сигнала.

Известны цифровые измерители частоты и периода, содержащие электронные ключи, формирующие устройства, генератор образцовой частоты, счетчик и индикатор (1 .

Однако такие измерители имеют низ- в кую точность измерения, обусловленную воздействием шумов на входное формирующее устройство и большую погрешность квантования, вызванную необходимостью использования низкочастотных генераторов образцовой частоты.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является цифровой измеритель длительности пето риода, содержащий последовательно соединенные генератор образцовой частоты, первый формирователь, счетчик, арифметическое устройство, выполняю2 щее функцию умножителя, сумматор и индикатор, а также второй формирователь, подключенный через реверсивный счетчик к арифметическому устройству и устройство управления P2)

Недостатком известного измерителя является низкая точность и помехоустойчивость при измерении частоты и периода в присутствии помех.

Цель изобретения - повышение точности и помехоустойчивости измерения частоты и периода исследуемых сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой частотомер, содержащий последовательно соединенные генератор образцовой частоты, первый формирователь импульсов, счетчик импульсов, умножитель и сумматор, а также второй формирователь импульсов, блок управления и индикатор, введены Формирователь весовой функции и последовательно соединенные нормализатор и дешифратор, выход которо8923 го подключен к входу индикатора,при этом вход формирователя весовой функции соединен с выходом блока управления, вход которого подключен к выходу второго формирователя импульсов, выход формирователя весовой Функции соединен с вторым входом умножи теля, третий вход которого подключен к второму выходу блока управления, третий и четвертый выходы последнего соединены соответственно с вторым входом счетчика импульсов и с вторым входом сумматОра, ВыхОд котОрОго подключен к входу нормализатора.

Кроме того, формирователь весовой Функции выполнен в виде последовательно соединенных вычитающего счетчика и сумматора, выход которого подключен к выходу формирователя весовой функции ° а вход последне го соединен с входом вычитающего счет"

;чика.

На чертеже представлена структурная схема цифрового частотомера. 25

Устройство содержит генератор 1 образцовой частоты, формирователи

2 и 3 импульсов, счетчик 4 импульсоа, умножитель 5, сумматор 6, блок

7 управления, формирователь 8 весовой функции., состоящий из вычитающего счетчика 9 и сумматора 10, нормализатор 11, дешифратор 12 и индикатор

13, Устройство работает следующим образом, 35

Перед измерением счетчик 9 формирователя весовой функции устанавливается на N-число, равное количеству усредняемых периодов. Входной .сигнал

40 ходе которого образуется поток импульсое, соответствующих моментам перехода сигнала через нулевой уровень.

Эти импульсы поступают на блок 7 управления. С помощью генератора образцовой частоты, формирователя 2, счетчика 4 и блока 7 управления из" меряется первый период Т исследуемого сигнала. Результат измерения Т к концу измеряемого интервала находится в счетчике 4, За этот же отрезок времени по команде от блока 7 управления, предварительно записанное в счетчик 9 число N, равное количеству усредняемых периодов, пе- ы реписывается в сумматор 10. Результат измерения Т.„ перемножается в умножителе 5 на весовой коэффициент

32

Q<= N, сформированный к моменту окончания измеряемого периода формирователем 8 и результат перемножения переписывается е сумматор 6. После измерения Т„ счетчик 4 устанавливается с помощью блока 7 управления на нуль и осуществляет измерение второго периода Т исследуемого сигнала.

Результат измерения Т к концу действия измеряемого интервала находится в счетчике 4. За этот же интервал времени по команде от блока 7 управления содержимое счетчика 9 формирователя 8 весовой функции уменьшается на Z (И-2) и переписывается в суммаt тор 10. Результат измерения Т, находяшийся в счетчике 4 перемножается в умножителе 5 на сформированный весовой коэффициент Q = N + (N-2) и результат перемножения переписывается в сумматор 6. Счетчик 4 устанавливается на нуль и осуществляется измерение третьего периода Т, результат измерения которого, находящийся в счетчике 4, перемножается в умножителе 5 на весовой коэффициент Q>=

N + (N-2) + (N — 4) = Q + (N — 4) и результат перемножения переписывается в сумматор 6. Измерение последу ющих периодов исследуемого сигнала не имеют особенностей до момента обнуления вычитающего счетчика 9, которое произойдет при поступлении п т + 1) усредняемого интервала лри четном 5 или до момента, когда в вычитающвм счетчике останется записанным один импульс при нечетном п, что будет соответствовать среднему из П усредняемых интервалов. Начиная с этого момента, все последующие весовые коэффициенты формируются на выходе сумматора 10, обеспечивающего сложение" содержимого сумматора с содержимым вычитающего счетчика 9 в дополнительном коде, т.е. начинается уменьшение значений весовых коэффици» ентов. В результате перечисленных операций с помощью вычитающего счетчика 9 и сумматорга 10 формируются весовые коэффициенты, значения которых одинаковы для измеряемых периодов равностоящих от начала и конца времени измерения. К концу времени измерения в сумматоре находится взвешенная сумма усредняемой последовательности измеряемых периодов, которая после нормализатора 11 (обеспечивающего умножение на коэффициент

5 89

k = G/n(n + 1)(п + 2)) и дешифратора

12 поступает на индикатор 13.

Найдем алгоритм формирования весовых коэффициентов, обеспечивающий предельное. уменьшение дисперсии оценки усредняемого периода (Т ) без увеличения времени измерения (T„ ). Для этого исходим из того, что осуществляется измерение и периодов исследуемого сигнала, а оценку среднего значения ищем в виде т = z g,т., (1)

1в1 где Т„. = k t0 - результат цифрового измерения i-ro периода исследуемого сигнала, находящийся в счетчике 4;

- период повторения имО пульсов генератора 1;

g - весовые коэффициенты, удовлетворяющие условию несмещенности оценки (; (. 1) .

1 . .1

В таком представлении результата измерения задача оптимизации сводится к поиску весовых коэффициентов, минимизирующих суммарную погрешность измерения. Измерение каждого i-го временного интервала (i-го периода) сопровождается погрешностью измерения "начала"и конца", причем погрешность "конца" i-ro интервала одновременно является погрешностью "начала" (i+1)-ro примыкающего временного интервала. С учетом жесткой корреляции этих погрешностей в пределах

ИитЕРВаЛОВ т1 И То+„ ЗаПИШЕМ ЗНаЧЕНИЕ суммарной погрешности для (1). дтпл = g1(4,-4g) + 01(аГЬЬ) + " +

+ ап(4п-а4, (2) 2332 4 и найдем дисперсию суммарной погрешности по общим правилам „ „= ц(о „+ & (д,.,„-о,)о+ оо)(з)

% гдето - дисперсия погрешности измерения одного периода Т„- .

Произведем оптимизацию весовйх коэффициентов g„ ïoòðåáîâàâ минимум

10 .выражения (3) . Для этого воспользуемся методом неопределенных множите- лей Лагранжа, на основании которого составим и определим экстремум функции

1В Ф (g.) = (g +Q (g(-g,) +g 1-

1 где jl. - множитель Лагранжа, подлежащий определению в процессе

М оптимизации g .

Тогда — о- = 4g — 2g -X = О афг :

Откуда = (д(+ y/2),à д = 2g„-g/2.

Аналогично = 4gy-гд1-2gg-5 = О

ag

g< (« g> y/2), д =гд -д„-Л/2

30 и т.д. до аф(Й) о „оо(о() о К )-1 d Я„ откуда

g„< = -- (д (+ g„+ Л/2)

g„= > („+ л/2).

Иэ полученных соотношений составим выражение для весовых коэффициентов в общем виде через значения g и g где д g - погрешность измерения 4

1 1

"начала" первого интервала, взятая с весом д

- погрешность измерения

"конца" первого интервала Т;

1 Ф

$0

h . g " погрешность измерения

".начала" второго измеряемого интервала Т) и т.д, Выражение (2) перепишем в виде

a T" =ZÄ;g „+ д (, -g,) + > (g > -g < )+

+4П(Ип-Qп:4 -d„(g q =д 1 Z о+1. (а - g„-) -д">

= ig i (i-1) ° Л /4 и (5)

3 = ig„-3 (3-1) Л /4

Из этих обобщенных выражений видно, что g или g одинаково представля1 ются через д „ и д, а следовательно для i = i весовые коэффициенты равны. Это говорит о том, что д.1 = gh и, следовательно, весовая функция симметрична относительно середины времени усреднения. Запишем выражения для весовых коэффициентов иэ (5) для nit "Wnlt 1)т.е. средних из серии усредняемых периодов

8923

11 п ()1 (2 " 2 2

g - - + 1 g„- -"2 п

1! 7 4 а учитывая, что g gh + и g< gw»

6. решим эту систему относйтельно g

= д„, в результате получим

g„= g„= n3/4

Это позволяет записать общее выражение (5) в виде

g = i (n + 1 — i) Л /4 (б) Определим значение неопределенного множителя Лагранжа из условия несмещенности оценки Т и — Ki(n+1- i) =1, 4;, откуда

Л=4/Z i (n+ 1- i).

1=1

Учитывая это, запишем (6) в виде

g = i(n+1-i)/ 2 - i(n+1-i)

1 =1 или учитывая, что и 1

Q i = n(n+1)/Z и Е i =п(п+1)(n+2)/б, 1= 1= в результате получим значения весовых коэффициентов, минимизирующих дисперсию оценки (3) 6i(n + 1 — i) 0; k 011 где

Д,,= i(n+1-i). вательно, оценка среднего периода исследуемого сигнаиметь минимальную погрешмерения, если весовую обрагнала производить по алгоритДисперсия оптимизированного алгоритма (8), найденная по формуле (3) при и )) l,равна

8Т = 6 О/и

А 11 Ъ (9)

Дисперсия оценки измерения периода известного устройства при тех же условиях равнаg = 8 6 1 /n .СледоваСледо значения ла будет ность из ботку си му

Т =, 1=1 и .Т 1с p Q Т 1с E i(n+1 i)T. 1 1 . 1 (1

32 8 тельно, эффективность данного устройства составляет

Qq= 106д6„/ т "= 1 25дБ или 12, 51.

С такой эффективностью в предлагаемом устройстве будет уменьшено значение шумовой составляющей, определяющей точность измерения и одновременно погрешность квантования.

Одновременное уменьшение этих погрешностей без увеличения времени измерения эквивалентно повышению быстродействия устройства. С такой же эффективностью настоящее устройство может быть использовано для прямого измерения частоты исследуемого сигнала. Для этого необходимо выход первого формирователя 2 подсоединить ко входу блока 7 управления, à выход второго формирователя 3 подсоединить; ко входу счетчика 4.

Формирователь 8 весовой функции реализует весовые коэффициенты

i(n + 1 — i). Чтобы убедиться в этом рассмотрим пример, Если n = 6, то

Q --N= б

Q< = Q + (N-2) = 10, Q> = Q<+ (N-4) = 12, Я, =. { + (N-б) = 12, Q + О -8) = 10, 0 = Q + (N-10)= б.

Для QS u qe добавление (Х-8) и (N -10) необходимо выполнить в дополнительном коде, т.е. вычесть.Это обеспечивает симметричное дискретное увеличение весовых коэффициентов до середины времени измерения, а затем уменьшение. Для обеспечения несмещенности оценки периода (частоты) по алгоритму (8) необходимо обеспечить нормализацию. Это осуществляется в нормализаторе 11, обеспечивающем умножение полученного результата измерения, находящегося в сумматоре 6 на коэффициент k = б .Во многих случаях такая операция может быть сведена к смещению запятой в сторону старших разрядов сумматора.

Полученный после нормализации результат измерения после дешифратора

12 поступает на индикатор 13.

Формула изобретения

1. Цифровой частотомер, содержащий последовательно соединенные генесоответственно с:вторым входом счетчика импульсов и с вторым входом сумматора, вь!ход которого подключен к входу нормализатора.

Ф 2. Частотоиер по и. 1, о т л ич а ю щ и и с я тем, что формирователь весовой функции выполнен в виде последовательно соединенных вычитающего счетчика и сумматора, выход ко © торого подключен к выходу формирова, теля весовой функции, а вход последнего соединен с входои вичитаащего счетчика.

15 информации э принятые во внимание при экспертизе

3. Аппаратура для частотных и временных измерений; йод ред. А.Й.Горшкова. ФСоветск е радиои,j973 с.369

2@ 2. Авторское свидетельство СССР

И . 61>429, кл.6 61 В 29/02, 7978.

9 892332 ратор образцовой частоты, первый формирователь импульсов, счетчик импульсов, умножитель и сумматор, а также второй формирователь импульсов, блок управления и индикатор, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и помехоустойчивости, в него введены фориирователь весовой функции и последовательно соединенные нориализатор и деаифра" тор, выход которого подключен к входу индикатора, при этом вход фориирователя весовой функции соединен с выходом блока управления, вход которого подключен к выходу второго формирователя импульсов, выход формирователя весовой функции соединен с вторыи входои уиножителя, третий вход которого подключен к второму выходу блока управления, третий и четвертый выходы последнего соединены