Цифровой измеритель длительности периода

 

О П И С А Н И Е ()920556

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Соеатеиик

Сециаектичесиик

Ресвубиии

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 280780 (21) 2962796/18-21 (51) щ Кд с присоединением заявки № (23) Приоритет G 01 R 23/00

Веулератееееьм квинтет есср ав лелем кзееретеник и етермтиа

Опубликовано 150482 Бюллетень ¹ 14 (53) УД К 621. 317 (088. 8) Дата опубликования описания 150482

1

1 (72) Автор изобретения

В.А.Карелин (7I ) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПЕРИОДА

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для измерения периода. гармонических сигналов и может быть использо" вано при создании прецизионных частотно-измерительных систем.

Известно устройство измерения периода, содержащее генератор опорной частоты, декадные делители опорной частоты, формирователь, селектор, электронный счетчик, формирователь, декадные делители измеряемой частоты и схему формирования времени счета (1) .

Недостатком данного устройства являешься относительно высокая ошибка измерения при исследовании периода сигналов, прошедших различные преобразовательные устройства (приемники, компараторы частоты и дру" гие), внутренние шумы которых вно- сят паразитную фазовую модуляцию анализируемого сигнала, приводящую к погрешности измерения периода.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является измеритель периодов, содержащий формирователь, элементы И, триггер, генератор опорной частоты, делитель частоты, электронный счетчик, одновибратор, триггер и селектор (2).

Однако, в данном устройстве наблюдается наличие значительной погрешности измерения периода сигналов, прошедших разного рода преобразовательные устройства, а такие содержится ошибка измерения, обусловленная формирователем, вырабатывающим

tS прямоугольное напряжение из синусоидального сигнала, и шумы которого приводят к флюктуациям фронтов измеряемого сигнала.

Цель изобретения - повышение точности измерения длительности периода.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор импульсов опорной частоты, первый элемент И, первый вход которо920556

5 о

15 го

25 зо

35 о

50

3 го соединен через формирователь с входной шиной устройства, а выход связан с первым входом триггера, второй элемент И, выход которого соединен с входом делителя частоты, формирователь времени индикации, выход которого соединен со входом сброса счетчика, дополнительно введены комбинационный дешифратор, сумматор, регистр памяти, дешифратор нуля, элемент ИЛИ-НЕ, Р1 1 формирователей, N-l, триггеров и й-1 элементов И, первые входы которых через дополнительные формирователи подключены к входной шине. устройства, а выходы соединены с первыми входами дополнительных триггеров, причем выходы триггеров соединены с входами комбинационного дешифратора, выходы которого соединены с первыми входами сумматора, вторые входы которого соединены с выходами регистра памяти, вход синхронизации которого соединен с выходом енератора импульсов опорной частоты и с вторыми входами элементов И, а его информационные входы подключены к выходам сумматора, выход сигнала переноса которого соединен со счетным входом счетчика, при этом входы элемента ИЛИ-НЕ подключены к выходам формирователей, а выход соединен с первым входом .второго элемента И, другой вход которого подключен к выходу формирователя времени индикации и к входам сброса регистра памяти, вход формирователя времени индикации. соединен .с выходом дешифратора нуля и с вторыми входами триггеров, а вход дешифратора нуля подключен к выходу делителя частоты.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов в разл .чных точках устройства.

Цифровой измеритель длительности периода (фиг.l) содержит формирователи 1, элементы И2, генератор 3 импульсов опорной частоты, триггер

4, элемент ИЛИ-НЕ, элемент И 6, дешифратор 7 нуля, делитель 8 частоты, комбинационный дешифратор 9, сумматор 10, регистр 11 памяти, формирователь 12 времени индикации, счетчик 13.

Устройство работает следующим образом.

4.

Перед началом работы счетчик регистр 11 памяти и делитель 8 частоты находятся в нулевом состоянии, С выхода дешифратора 7 нуля на информационные входы триггеров.4 посту пает нулевой потенциал, который под действием синхроимпульсов, проходящих на выход элементов И2 в период присутствия на вторых входах weментов И2 положительных импульсов с выходов соответствующих формирователей 1, устанавливает триггеры 4 в нулевое состояние. При этом комбинационный дешифратор 9 формирует на своих выходах двоичный код нуля, подаваемый на входы сумматора 10.

На вторые входы последнего с выхода регистра памяти 11 также поступает код нуля, поэтому по каждому синхроимпульсу с выхода генератора 3 опорной частоты, поступающему на вход синхронизации регистра 11 памяти, происходит суммирование нулей в сумматоре 10, сигнала переноса на выходе Р не возникает, и счетчик 13 остается в исходном состоянии.

Входной сигнал, период которого надо измерить, поступает на входы формирователей 1, формирующих прямоугольное напряжение из синусоидального сигнала, фронты которого вследствие паразитной фазовой модуляции, обусловленной шумами преобразовательных блоков и самих формирователей, флюктуируют вокруг среднего значения, определяемого моментом перехода исследуемого сигнала через нулевой уровень. Причем при независимости шумов преобразовательных блоков и формирователей флюктуации в разных каналах можно считать некоррелированными.

С выходов формирователей 1 импульсные сигналы (фиг.2а,б,в,г) поступают на входы элемента ИЛИ-НЕ 5, на выходе которого формируется импульсное напряжение (фиг.2д), отрицательный фронт которого определяется положительным фронтом сигнала с выхода одного из формирователей 1, который срабатывает, раньше остальных. Через элемент И6 импульсы с выхода элемента

ИЛИ-НЕ g поступают на вход делителя

8 частоты, который изменяет свое состояние по отрицательному фронту входного сигнала. Следовательно, на выходе дешифратора 7 нуля формируется потенциал единичного уровня (фиг.2е), подаваемый на информацион0556 6 в регистре памяти 11 и счетчике 13, равно Н n . Если ббозначить N<число триггеров 4, перешедших в единичное состояние после срабатывании второй группы триггеров 4, а п число квантующих импульсов, выработанных генератором 3 импульсов опорной частоты с момента срабатывания второй группы триггеров 4 до момен10 та перехода в единичное состояние третьей группы триггеров 4, то .цис" ло, зарегистрированное в счетчике

13 и регистре 11 памяти равно

N1 п + Й п2. Очевидно, что общее

1s число, зарегистрированное в регистре 11 памяти и счетчике 13 на момент срабатывания всех N триггеров 4, выражается

После установки делителя 8 частоты в нулевое состояние, что. происходит в конце цикла его работы, по положительному фронту сигнала с выхода одного из формирователей 1, сработавшего раньше остальных> дешифратор 7 нуля формирует на своем выходе, а, следовательно, и на информационных входах триггеров Ч потен5 92 ные входы триггеров 4, по положительному фронту того из формирователей

1, который сработал раньше остальных.

Одновременно сигналы с выходов формирователей 1 поступают на входы соответствующих элементов И2, на вторые входы которых подаются импульсы с выхода генератора 3 импульсов опорной частоты (фиг.2 ж). Момент появления импульсов на выходе элементов И2 определяется положительным фронтом сигнала с выхода соответствующего формирователя 1. Из-за флюктуаций фронтов импульсного напряже,ния формирователей 1 появление импульсов на выходах элементов И2, а, следовательно, и на входах синхронизации триггеров 4 (фиг.2з,и,к,л) представляет собой случайный процесс.

При этом считается, что длительность р0 периода .сигнала генератора опорной частоты То меньше, либо равна среднеквадратическому значению флюктуаций фронтов на выходе формирователя 1, т.е. То «+ Д, так как только в 2s этом случае снижается ошибка, обус" ловленная паразитной фазовой модуляцией. Поскольку формирование потен" циала единичного уровня на информа ционных входах триггеров 4 (фиг.2е) щ определяется фронтом сигнала форми-. рователя 1, сработавшего первым, а появление на входах синхронизации триггеров 4 импульсов с выходов weментов И2 (фиг.2з,и,к,л) определяет3S ся фронтом сигнала с соответствующего формирователя 1, то установка триггеров 4 в единичное состояние также, представляет собой случайный процесс (фиг.2м,н,о,п). Пусть в первый момент времени в единичное состояние переходят и триггеров 4.

Комбинационный дешифратор 9 анализирует выходы всех триггеров 4 и преобразует число hq в двоичный код, который поступает на первые входы сумматора 10. Теперь по каждому импульсу генератора 3 импульсов опорной частоты, поступающему на вход синхронизации ре1-истра 11 памяти, 50 к содержимому последнего прибавляется число Ny. Сумматор 1О суммирует числа по модулю N и сигнал переноса с выхода P поступает на счетный вход счетчика 13. Допустим, что до сраба-. тывания второй группы триггеров 4

S5 генератор 3 импульсов опорной частоты выработал п квантующих импуль1 сов. Тогда число, зарегистрированное

К

,X. Nin, 1=1 где К вЂ” число групп одновременно сработавших триггером 4.

После перехода в единичное .состояние всех М триггеров 4 на выходе комбинационного дешифратора 9 устанавливается код числа М, который по каждому импульсу генератора 3 импульсов опорной частоты суммируется с содержимым регистра 11 памяти по модулю М, и сигнал переноса с выхода P сумматора 10 подсчитывается счетчиком 13. Поэтому общее зарегистрированное число выражается

H1 n; +" n.o.

i=t где и - число квантующих импульсов, О выработанных генератором 3 импульсов опорной частоты за время нахождения всех триггеров 4 в единичном состоянии (т.е. в течение цикла работы делителя 8 частоты).

Коэффициент пересчета делителя .

8 частоты определяется числом усред" няемых периодов исследуемого сигнала, которое, в свою очередь, выбирается, исходя из требуемого времени измерения Тп.

0556 8 рому оно стремится, при й-+Ы и

Тр О. Очевидно, что в этом случае произведение .п Т0 переходит в непрерывную случайную величину ty, характеризующую флюктуации фронтов прямоугольного напряжения на выходах формирователей 1, отношение N> N превращается в плотность вероятности d (t ) случайной величины, а

10 сумма заменяется интегралом, т.е. к

ОО

ЬТЙ .Е 0 — „ -5tð .

Я -;у ер l - 1

То- О

15 (р) с д = Щ 1.0 =tQ, (Ъ) 7 92 циал нулевого уровнй. 8 силу наличия параэитной фаэовой модуляции, приво" дящей к флюктуациям фронтов прямоугольного напряжения на выходах формирователей 1, появление импульсов .на выходах элементов И2 (фиг.2э,и, к,л), а следовательно, и перевод триггеров 4 в нулевое состояние (фиг.2м,н,о,п) представляет из себя случайный процесс. Поэтому по аналогии с началом интервала времени измерения можно записать выражение для числа, зарегистрированного в регистре 11 памяти и счетчике 13 с момента сформирования потенциала нулевого уровня на выходе дешифратора 7 нуля, определяемого фронтом сигнала форми-, рователя 1, сработавшего последним "„ . Nj n) ,1.=1 где И - число триггеров 4, оставшихся в единичном состоянии после обнуления j-ой группы триггеров 4; число квантующих импульсов1 выработанных генератором

3 импульсов опорной частоты в промежутке между обнулениями j-ой и (j+1)-ой группы триггеров 4;

m - число групп одновременно обнуленных триггеров 4.

После перехода в нулевое состояние всех Й триггеров 4 на первые входы сумматора 10 с выхода комбинационного дешифратора 9 подается код "О", и увеличение содержимого регистра 11 памяти и счетчика 13 прекращается. При этом в регистре

11 памяти и счетчике 13 фиксируется число п, пропорциональное измеряемому периоду анализируемого сигна- ла, т.е.

fA 1 „о

Все Z Ч 0 Я- « р

М,1 =1

Т О

25 к tn

1 1обш, =. Hp„+Neo .E Ирп . () .в1 " Р1 !

Среднее значение измеренного ин" тервала времени, равного Й периодам анализируемого сигнала, определяется как

Аналогичные рассуждения по отношению к третьему слагаемому в выражении (21 позволяют записать

1

Здесь tg u tg - математические

:южидания соответственно начала и

30 конца измеряемого интервала времени.

Следовательно, при Т0 — з. О и Ni oo имеем оценку измеряемого интервала времени с рулевой дисперсией, при конечных Й и Тп, в силу независимости флюктуаций фазы в различных каналах, получаем оценку этого интервала с дисперсией, уменьшенной в

Й раз по сравнению с оценкой, получаемой при использовании одноканальных измерителей периода, в известных устройствах. Действительно, случайная ошибка измерения периода исследуемого сигнала, обусловленная паразитной фазовой модуляцией, определяется флюктуациями фронтов прямоугольного напряжения формирователей 1 в начале и в конце интервала .времени измерения, т.е.

6ь ь

H K где

1 Обiц . —,Z n;Tg у+ т вто t

t1 оАи,Т g j о1

tel

+ Z. n 70 4 (2.3

Рассмотрим первое слагаемое в выражении (2) и находим предел,к кото- дисперсия ошибки измерения интервала- времени, равного М периодам входного сигнала одноканальным методом, 920556 10 пульсов опорной частоты, первый элемент И, первый вход которого соединен через формирователь с входной шиной устройства, а выход связан с первым входом триггера, второй элемент И, .выход которого соединен с входом делителя частоты, формирователь времени индикации, выход которого соединен с входом сброса счетчика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены комбинационный дешифратор, сумматор, регистр памяти, дешифратор нуля, элемент ИЛИ-НК, F4 1 формирователей, М-1 триггеров и И 1 элементов И, первые входы которых соединены через дополнительные формирователи с входной шиной устройства, а выходы связаны с первыми входами дополни" тельных триггеров, причем выходй триггеров соединены с входами комбинационного дешифратора, выходы ко" торого подключены к первым входам сумматора, вторые входы которого соединены с выходами регистра памяти, вход синхронизации которого со единен с выходом генератора импульсов опорной частоты и с вторыми входами элементов И, а его информационные входы подключены к выходам сумматора, выход сигнала nepewca которого соединен со счетным входом счетчика, при этом входы элемента ИЛИ-НЕ соединены с выходами формирователей, а выход подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с входами сброса регистра памяти.и с выходом формирователя времени индикации, вход которого соединен с вторыми .входами триггеров и с выходом дешифратора нуля, вход которого подключен к выходу делителя частоты.

Источники информации,,принятые во внимание при экспертизе

1. Аппаратура для частотных и временных измерений. Под A.Ï.Ãîðâêî" ва, И., "Советское радио", 1971, с. 169.

2. Ермолов Р, С. Цифровые частотог Би Фдй-h " 1Г Г М т. е. применение данного устройства позволяет снизить среднеквадратическую ошибку измерения, обусловленную паразитной фаэовой модуляцией, в

МК раз. формирователь 12 времени индика. ции управляется сигналом с выхода дешифратора 7 нуля и формирует сигнал, запрещающий переход сигналов че- 20 рез элемент Иб на время фиксации . результата измерения в регистре памяти ll и счетчике 13. После окончания запрещающего сигнала с выхода формирователя 12 времени индикации, 2З последний вырабатывает импульс, обнуляющий регистр 11 памяти и счетчик 13. При этом снимается запрещающий:потенциал с входа элемента Иб и цикл измерения повторяется. 36

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет снизить ошибку измерения периода вследствие паразитной фазовой модуляции при прохождении анализируемого сигна" 3g ла через Формирователи, что достига. ется введением дополнительных форми. рователей, элементов И, триггеров, элемента ИЛИ-НЕ,,комбинационного дешифратора, формирователя времени в индикации, дешифратора нуля, сумматора, и регистра памяти, осуществляющих одновременное измерение периода сигнала, прошедшего несколько параллельно работающих идентичных Формирующих блоков. При этом случайные фазовые Флюктуации в каждом канале усредняются, а результат измерения накапливается в одном счетчике.

Формула изобретения 50

Цифровой измеритель длительности периода, содержащий генератор им 1. и Дз- соответственно дисперД

К К сии фазовых флюктуации начала и конца измеряемого интервала.

При применении многоканального метода, используемого в данном устройстве, имеем меры. Л., "Энергия", 1973, с. 37.

920556

Составитель 8. Муляр

Техред А. Бабинец Корректор А Аэ Ят ко

Редактор,Н.Ронжа

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 2330/48 Тираж 719 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Носква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5