Цифровое устройство для измерения отношения двух частот

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗО6РЕТЕН ИЯ

Х АВТОРСХОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсиие

Социалистические

Республик

< 954886 (6l ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 02.03. 81 (2I ) 325"972/18-21 (5I ).М. Кл. с прнсоелинением заявки М (23) Приоритет

R 23/02

3Ъеударетеекеы4 кемктет

СССР ае делем еэо4ретенкй н открытки (5З) УДК 621. 317. .7(088.8) Опубли«овано 30. 08. 82. Бюллетень № 32

Дата опубликования описания 02 . 09 . 82 (72) Авторы изобретения

Р.В. Коровин и И.И. Ковтун (7l) Заявитель

5- 1sp. 46!Иk ИА (54) ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ОТНОШЕНИЯ ДВУХ ЧАСТОТ

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть применено для построения цифровых изме- рителей частоты, периода и отношения частот.

Известно устройство для измерения отношения двух частот, содержащее блок управления, формирователи, счетчики и элементы И 313.

Данное устройство имеет ограничен«1О ную точность, так как позволяет определять лишь целочисленную часть изме" ряемого отношения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является цифровой частотомер и режиме измерения отношения частот, содержащий блок управления, элемент И и формирователь коротких импульсов 523 и

Недостаток указанного устройства обусловлен низким быстродействием, так как значение отношения двух час-1 тот может быть получено только по

2 окончании измерительного интервала времени.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровое устройство для измерения отношения двух частот, содержащее счетчик результата, блок управления, основной элемент И и формирователь коротких импульсов, вход которого соединен с первой входной шиной устройства, а выход - с сигнальным входом основного элемента И, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления, введены генератор опорного периода, блок сравне" ния кодов, блок вычитания, блок вентилей, умножитель, коммутатор, четыре счетчика и три дополнительных элемента И, первый и второй формирователи периодов, причем выход формирователя коротких импульсов подключен к входу первого формирователя периодов, выход которого подключен к управляю95488 щему входу первого дополнительного элемента И, выход. которого подключен к входу первого счетчика, а сигнальный вход первого дополнительного элемента И соединен с выходом генератора опорного периода, с сигнальными входами второго и третьего дополнительных элементов И, выход которого соединен с управляющим входом второго счетчика, а управляющий вход - с 10 выходом второго формирователя периода, вход которого подключен к второй входной шине устройства, а управляющий вход второго формирователя перио" да соединен с управляющим входом пер- з вого формирователя периода и с вторым выходрм блока управления, третий выход которого подключен к управдяющим входам третьего и четвертого счетчиков и коммутатора, четвертый выход рр блока управления подключен к управляю. щему входу блока вентилей, второй вход — к выходу формирователя коротких импульсов, третий вход - к выходу блока сравнения кодов, первый выход 2ц блока управления соединен с управляющими входами основного и второго до" полнительного элементов И, выход которого подключен к счетному входу третьего счетчика, выходы которого соеди-з иены с первыми входами блока сравнения кодов, вторые входы которого соединены с первыми входами блока вычи« тания и выходами второго счетчика, установочные входы которого соединены с выходами блока вентилей, входы кото3$ рого подключены к выходам блока вычитания, вторые входы которого соедине" ны с выходами умножителя, первые и вторые входы которого подключены со40 ответственно к выходам первого и четвертого счетчиков, счетный вход последнего .соединен с выходом основного элемента И и входом коммутатора, выходы которого подключены к входам счетчика результата.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство состоит из формирователя 1 коротких импульсов, первого формирователя 2 периода, первого дополнительного элемента 3 И, генератора 4 опорного периода, второго и третьего дополнительных элементов 5, 6 И, второго формирователя 7 периода,. второго счетчика 8, блока 9 сравнению кодов, третьего счетчика 10, блока 11.вычитания, брока 12 вентилей, умножите" ля 13, первого и четвертого счетчи

6 ф ков 14, 15, основного элемента 16 И, коммутатора 17, счетчика 18 резуль" тата и блока 19 управления.

Для получения результата измерения отношения частот с индикацией результата необходима длительность полного измерительного интервала, равная пТ (и - число, равное десяти в целой степени). Этот интервал используется нерационально. Например, 0,1 Т„ „, используется для получения информации о всех значащих цифрах результата, кроме последней, а для получения ин" формации о последнем знаке результата требуется затратить 0,9Т„ .Аналогично для получения информации о всех значащих цифрах результата, кроме двух последних значащих цифр, необходимо время 0,01 Тц „,о всех значащих цифрах результата, кроме трех последних значащих цифр, - 0,001 Т„> тд.

Раздельное определение значащих цифр результата существенно сокращает время формирования окончательного результата.

Предположим, что измеряется отношение частот F = 2319,52 Гц, (Т„ =

= 1/F„= 431,12368 мкс) и

= 545 Гц (T 2 = 1834,68623 мкс) с погрешностью 10 Точное значение отношения FA /Fci — — 2319 52:545 = 4,256.

Для получения такого результата в известном устройстве необходимо подсчитывать число периодов сигнала F„ 3a время, равное 1000 периодов сигнала.

На измерение отношения F„ /F с указанной точностью должно быть затрачено время

Т„ м= 10 Т = 1834862,3 мкс 1,8 с.

Б известном устройстве результат измерения может быть получен только по окончании измерительного интервала, т.е. через 1,8348623 с.

В предлагаемом устройстве для определения величины отношения частот прежде всего производят измерение длительности периода Т исследуемой частоты Р,, При использовании генератора 4 опорного периода с частотой „=

100 ИГц (Т,„= 1/Р п = 0,01 мкс) в каждом временном интервале Т1 укладывается 4311236 периодов счетных импульсов. Поскольку квантование перио" да Т производится сигналами от источ1 ника счетных импульсов с периодом Т, =

= 0,01 мкс, то результат измерения длительности периода Т„= 431,12.

Первый (1 = 1) временной измерительный интервал формируется длитель5 954886 6 ностью Т, причем начало его привозы«быть получен уже в конце первого вревают к началу очередного периода час- менного интервала. тоты F„. Если привязать начало этого Поскольку длительность Т„ ра на интервала к началу очередного перно- 1103,80 мкс, то в этот интервал уклада частоты Fg, то в интервал Т уло- g дывается N „ = 1103,80:431,12368= жится М „. -- 1834,8623: 431,12368= =25602861 периодов частоты F, Так

= 4„2559998 периодов частоты Г1 . По- как каждый импульс представляет собой скольку каждый импульс представляет целый период, то подсчитанное число собой целый период, то подсчитанное М „!будет равно 2. число М „„будет равно 4. 1в Длительность третьего (i= 3) вреВторой (! = 2) временной измери- менного измерительного интервала равтельный интервал Т формируется как на 24I14,452 мкс, так как Ти = (TH2

ИЭМ

-Мс„!.Т1 ) «10 = (1103,80-2.431,12) х умноженная на 10 разность между пре- х 10 — 2ч15,ьО мкс. В этот интеРвал

2415,60 431 °

Р R Аущег подсчета =5 6030325 периодов частоты „

N ч„на длительность периода частоты Г скольку начало временного интервала

:Согласно сказанному"Ти = 1Т - И - g х сфазировано с началом периода часто(, СЧ1 Ъ/ (!834 86 4 431 12) -1Π— — ты, то результат подсчета числа

ZO периодов Т„за интервал Ти будет М „ — 1103 80 мкс.

= 5 °

В этих расчетах использованы не Длительность четвертого (1=4) вреполные действительные значения Т

И менного измерительного интервала Ти4= и Т„, а лишь их пРиближенные значе- = (Т„- М Т„) «1О = (2415 60-5 431,12) ния (коды 1, взятые с точностью до со- 2з х10 = 2600 мкс. В этот интервал уклатых долей микРосекУнды. Это обУслов- дывается М = 2600,00:431,12368 лено принятым предположением, что ге- = 6,030752 йериодов частоты Г1 . Ренератор 4 опорного периода вырабаты- зультат подсчета числа периодов Т„ вает сигналы с частотой Fgg = М ц, т .е. с периодом Т = 1/ = 0,01 мкс.; за интервал Т„4 удет: д Топ = оп= 0 01 кс з На этом процесс измерения можно заподсчет каких-либо ин кончить. результат измерения формиру" тергалов с точностью, лучшей, чем ется следующим образом.

0,01 мкс, будем считать невозможным.

Подсчитывают число периодов частоФормирование кода этого временного интервала не займет много времени, ты Г - М. М,М М за каждый

1 сМ Сч СЧЪ сЧ4 из интервлаов Т, Т, Ти«,Т . Общий так как на определение кода периода 35

-результат измерения формируется как можно использовать первый из числа сумма N;.10 " "! подсчитываемых периодов частоты Г ..

Определение произведения Т1 1(.чрсущест- N 1Ч ° Я ()+hi .1О вляют в самом процессе подсчета числа периодов T„, используя последова- ® +1,! . ® () ы О (4 ") . по ;. о тельное формирование кода ) . кажды, " С4

I И М каждым подсчитываемым сигналом из числа М „„. < З.10 <Ь.10 =4 ЫЬ.

Таким образом, произведение М Т Как видно з сч1 I ак видно из расчетов, получен может быть получено в момент завер- 1 тот же результа у ьтат, что и для известшения интервала Т„ В этот же момент ного устройства. может быть получен и код разности Нетрудно етрудно оценить выигрыш во вре(Тц1- М „1)Т1,если для формирования ользовании предлагаемого разности использовать параллельное устройства Если учесть что на высуммирование при вводе в сумматор вы-,числение кодов

-, исление кодов отдельных временных читаемого в обратном коде. Умножение интервалов до тервалов дополнительного времени кода разности на 10 можно осущест- ически не тре уется, то общая влять без дополнительной затраты вре" длительност тельность процесса измерения Т мени, для чего достаточно формировать . 4

K код разности со сдвигом на один деся- = - - Ти = 1834,86+1103,80+2415,60+ тичный разряд.

+2600,0 = 7954,.26 мкс 8 мс.

Таким образом, код второго времен- В реальных условиях общее время ,ного иЗмерительного интервала может формирования результата измерения, 7, 954886 8 возможно, будет несколько больше за счет времени, необходимого для перезаписи кода результата вычислений в устройство, формирующее временные измерительные интервалы, за счет ожидания очередного импульса последовательности F сброса на нуль соответ" ствующих счетчиков и т.д. Но даже если увеличить это время вдвое, т.е. .до 16 мс, и то в приведенном цифровом 10 примере может быть получен выигрыш более чем в 100 раз.

Как показывает цифровой пример, предлагаемое устройство позволяет су щественно повысить быстродействие И цифрового измерителя отношения двух частот.

До начала измерения первый, второй, третий и четвертый счетчики 14, 8, 10, 15 и счетчик 18 результата нахо го дятся в исходном нулевом состоянии (цепи установки для упрощения на схеме устройства не показаны ), генератор 4 опорного периода генерирует высокостабильную последовательность ии- 2$ пульсов с частотой F, основной, первый, второй, третий и дополнительные элементы И 16, 3, 5 и 6 заперты соот- ветствующими управляющими напряжениями °

Если необходимо провести измерение,эр блок 19 управления вырабатывает на втором выходе разрешающий сигнал, который поступает на управляющие входы формирователей 2 и 7. С формирователей 2 и 7 периодов подаются разрешаю" щие напряжения на первый и третий элементы 3 и 6, при этом формирователь 2 формирует импульс длительностью Т =

= 1/F<, а формирователь 7 " импульс длительностью Т,1 = 1/F<. Первый и третий дополнительные элементы 3, 6 И под воздействием этих импульсов от" крываются и начинают пропускать.импульсы с частотой Fon нЯ первый w второй счетчики 14 и 8 соответственно. 4

В первом счетчике 14 в результате этого сформируется код периода Т„, а во втором счетчике 8 код периода Т .

Как только во втором счетчике 8 начинает формироваться код периода Т< первый,же импульс частоты F„ c формирователя 1, поступая на второй вход блока 19 управления, своим спадом вызывает формирование на первом выходе блока 19 разрешающего потенциала, которыи подается на второй дополнительный и основной элементы 5, 16 И. В ре. зультате третий счетчик 10 начинает заполняться импульсами частоты Fpq c генератора 4, а через основной элемент 16 И на четвертый счетчик 15 и через коммутатор 17 на декады целой части начинают поступать импульсы частоты F

К моменту поступления на четвертый счетчик 15 первого счетного импульса в первом счетчике уже сформирован код периода Т„ . В дальнейшем этот код в умножителе 13 перемножается с текущим кодом четвертого счетчика 15, а результат перемножения в блоке 11 вычитания вычитается из кода периода Т, Формируемого во втором счетчике 8. Формирование этого кода й(Т, ) заканчивается, когда прекращается импульс на выходе формирователя 7. Поскольку заполнение третьего счетчика 10 началось позже, чем второго счетчика 8, то код в третьем счетчике 10 продолжает изменяться до тех пор, пока он не сравняется с кодом Т во втором счетчике 3. При этом срабатывает блок 9 и под воздействием его сигнала, поступающего на второй вход блок 19 управления запирает второй дополнительный и основной элементы 5 и 16,И. К этому моменту во втором и третьем счетчиках 8 и 10 записан код й(Т ), в первом счетчике 14код й(Т„), в четвертом счетчике 15 и счетчике 18 результата записано число импульсов Мс„,соответствующее целой части отношения F /F<, а в блоке 11 вычитания сформирован код, равный р = И(Тч.) "(11) "сч

Сигналом на четвертом выходе блока 19 управления код Np передается

Во второй счетчик 8, схема подключения такова, что код первого десятичного разряда с выхода блока 11 устанавливает код второго десятичного разряда второго счетчика 8, код второго десятичного разряда с выхода блока 11 устанавливает код третьего десятичного разряда второго счетчика 8 и т.д.

Таким образом, в результате пере" писи во втором счетчике 8 устанавливается код числа, в десять раз большего, чем число на выходе блока 11. После записи кода 10йр во второй счетчик 8 сигналом на третьем выходе блока 19 управления обнуляются третий и четвертый счетчики 10 и 15, а коммута" тор 17 подключает к своему сигнальному входу вход декады. десятых долей результата. Схема готова ко второму циклу преобразования.

954

Спад, первого же импульса частоты Р с выхода формирователя 1, поступающего на первый вход блока 19 управления, приводит к выработке от.пирающего напряжения на втором выхо1 де блока 19 управления, в результате чего второй дополнительный и основной элементы 5 и 16 И начинают пропускать импульсы на соответствующие счетчики. В дальнейшем работа устройства аналогична его работе в первом цикле.

Работа завершается. после заполне,ния всех декад счетчика 18 результата.

1S

Формула изобретения

Цифровое устройство для измере- 20 ния отношения двух частот, содержащее счетчик результата, блок управления, основной элемент И и формирователь. коротких импульсов, вход которого соединен с первой входной шиной устройства, а выход - с сигнальным входом основного элемента И, управляющий вход которого подключен к перво му выходу блока управления, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью Зр повышения быстродействия, в него введены генератор опорного периода, блок сравнения кодов, блок вычитания, блок вентилей, умнонитель, коммутатор, четыре счетчика и три допол" З нительных элемента И, первый и второй формирователи периодов, причем выход формирователя коротких импульсов подключен к входу первого формирователя периодов, выход которого подключен к управляющему входу первого дополнительного элемента И, выход которого подключен к входу первого счетчика, а сигнальный вход первого дополнительного элемента И соединен с выходом генератора опорного периода, с сигнальными входами второго и третьего. дополнительных элемен886 f0 тов И, выход которого соединен с управляюцим входом второго счетчика, а управляющий вход - с выходом второго формирователя периода, вход Которого подключен к второй входной шине уст ройства, а управляющий вход второго формирователя периода соединен с управляющим входом первого формирователя периода и с вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющим входам треть.

его и четвертого счетчиков и коммутатора, четвертый выход блока управления подключен к управляющему входу блока вентилей, второй вход " к выходу формирователя коротких импульсов, третий вход - к выходу блока сравнения кодов, первый выход блока управ" пения соединен с управляющими входами основного и второго дополнительного элементов И, выход которого подключен к счетному входу третьего счетчика, выходы которого соединены с первыми входами блока сравнения кодов, вторые входы которого соединены с первыми входами блока вычитания и выходами второго счетчика, установочные входы которого .соединены с выходами .. блока вентилей, входы которого подключены к выходам блока вычитания, вторые входы которого соединены с выходами умножителя, первые и вторые входы которого подключены соответственно к выходам первого и четвертого счетчиков, счетный вход последнего соединен с выходом основного элемента И и входом коммутатора, выходы которого подключены к входам счетчика результата.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

N 300856, кл. G 01 R 23/02, 1971.

2. Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. И., "Энергия", 1975, с. 229 (прототип).

954886

Составитель Н. Каплин

Редактор А. Маковская Техред Ж Кастелевич Корректор " Король

Заказ,6425/45 Тираж 717 Подписное

6НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва К-35 Ра шская наб. д. 4/5

«в в4 А С А

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