Цифровой низкочастотный частотомер

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических .республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 3003,81 (21}3267786/18-21 (И ) М, Кл. з с присоединением заявки ¹

G 01 R 23/10

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15,1082. Бюллетень ¹ 38

l>>l УДК 621. 317. 7 (088. 8) Дата опубликования описания 15.1082

В.И,Тимофеев, Л.В.Боровкова и С.A.Äûëäèí

1 п ф

Р4

Центральное конструкторское бюро гидрометеЬрологйчесхого., приборостроения (72) Авторы изобретения (71) Заявитель. (5 4) ЦИФРОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ЧАСТОТОМЕР

Изобретение относится к электроиэмерительной технике и предназначено для точного измерения в цилиндровой форме сигналов низкой и инфранизкой частоты .в течение одного или нескольких ее периодов.

Известен цифровой частотомер, содержащий генератор импульсов, делитель частоты, управляемый делитель частоты, два счетчика импульсов,формирователь образцовых интервалов времени 1 1).

Недостатком частотомера является невысокая точность измерения, обусловленная тем, что на результат измерения влияет остаток от деления постоянного числа импульсов на число, пропорциональное периоду измеряемой частоты.

Наиболее близким к изобретению является цифровой низкочастотный частотомер, содержащий блок управления, элемент И, два счетчика, блок изменения частоты квантования (2 )..

Недостатком этого частотомера яв- 25 ляется низкая точность определения частоты сигнала, обусловленная тем, что сформированная частота, необходимая для формирований результата измерения, не всегда укладывается це- 3D лое число раэ в калиброванный инте вал времени, при этом выходное значение частоты по сравнению с истинным значением частоты всегда занижено.

Целью изобретения является ïîâûшение точности изменения частоты сигнала.

Поставленная цель достигается .тем, что в цифровой низкочастотный частотомер, содержащий блок изменения частоты квантования, первый и второй счетчики, элемент И, блок управления, вход которого подключен к входной шинд устройства, первый выход - к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с выходом блока-изменения частоты квантования, а.выход элемента И соединен со счетным входом первого счетчика, первый выход которого соединен с входом блока изменения частоты квантования, введены третий счетчик, дешифратор, дискретный делитель, регистр, формирователь, двоичный делитель, счетный вход которого соединен со вторым выходом блока управления, управляющие входы двоичного делителя соединены с вторыми выходами первого счетчика, а его выход — со счетным входом дискретного делителя, управ 966619 ляющие входы которого через дешифра" тор соединены с выходами третьего счетчика, последовательный выход дискретного делителя подключен к входу второго счетчика, а параллельные выходы дискретного делителя подключе- 5 ны к информационным входам регистра, импульсный вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а выход регистра — с первой выходной шиной устройства, при этом вход фор- l0 мирователя подключен к первому выходу первого счетчика, к входу третьего счетчика, к входу блока изменения частоты квантования, выход формирователя соединен с установоч- 15 ными входами первого счетчика, выход второго счетчика соединен с второй выходной шиной устройства.

На фиг.1 изображена функциональная схема частотомера, на фиг.2 - . щ функциональная схема блока изменения частоты квантования, на фиг.3 функциональная схема дискретного делителя частоты.

В состав цифрового частотомера входят в блок 1 управления, элемент

2 И, первый счетчик 3, двоичный делитель 4, формирователь 5, блок б изменения частоты квантования, третий счетчик 7, дешифратор 8, дискретный делитель 9, регистр 10, второй счетчик 11. На вход устройства поступают сигналы измеряемой частоты

FX . В состав блока б изменения частоты квантования входят счетчик 12, дешифратор 13, генератор 14 постоянной.частоты, триггеры 15.1,...,1,5.Ê, элементы 16.1 ...16.К+1.И, элемент

17 ИЛИ. В состав дискретного делителя

9 входят элемент 18 И, триггер 19, элемент 20 И, элемент 21 ИЛИ, триг- 40

rep 22, элемент 23 И, элемент 24.

ИЛИ, элемент 25 И, триггер 26, элемент 27 ИЛИ. На выходе элемента 27

ИЛИ формируется результат измерения в целых единицах (целая часть), с 45 выходов триггеров 19, 22 и 26 снимается результат измерения в долях единиц (дробная часть). Дискретный делитель 9 имеет две функции. Во-первых, посколькУ делитель Мг 4 в счетчи- 50 ке 3 независимо от значения периода изменяется в небольших пределах, значение коэффициента деления К

"приводит" количество импульсов на выходе двоичного делителя 4 к единице измерения частоты, так как одно значение Мс в счетчике 3 может соответствовать нескольким значениям периода Тх, следовательно, нескольким значениям частоты. Во-вторых, дискретный делитель 9 автоматически определяет, стоит „пи учитывать остаток от деления -„ — р в выходном значении измеряемой частоты. Если значение К мало, что соответст= вует большим частотам измеряемого 65 сигнала, значение М )44 К 1 велико, и значение остатка от делениЯМр)М К " т нет необходимости учитывать. Если значение К " велико, что соответствует меньшим частотам измеряемого сигнала, значение Йр(й. К "и мало, и значение остатка от деления Мр М K™ неT обходимо учитывать. Таким образом

)осуществляется автоматическая подстройка погрешности измерения частоты импульсного сигнала в зависимости от диапазона, в котором находится измеряемое значение частоты.

Измерение частоты осуществляется следующим образом.

На вход поступает входной сигнал с частотой FX 4/ÒX . На первом этапе — этапе измерения периода - период Тх заполняется частотой .квантования F< которая в начальный момент времени равна Fo . Поступление первых и ;„ импульсов М,;и=т „- Г„ означает, что пройдена. верхняя граница измеряемой частоты (T„„„„ - нижняя граница измеряемого периода).. Если период Т„ не превышает величины К. Т„„„и, то частота квантования Г„ =Г до йонца периода ТХ остается неизменной, а если период Т„> К Т „„,„, то частота кван-. тования уменьшается в К раз (например, K=2), т.е. частота квантования станет равной FK>- †"марв . Остаток временного интервала ьТ=Т -К-Т и„ и будет заполняться частотой квантованияГр/К, причем импульсы этой частоты кванто- вания будут суммироваться с количеством импульсов N»>

+ьт FKs =й „ +(Tx к ти4и ) .сч наИ где М„ц = К, Ж.

М науч ™ и °

При каждом последующем подсчете количества импульсов, равного М„,, частота квантования будет вновь уменьшена в К раз и т.д. до момента окончания периода ТХ. Таким образом, после окончания периода Тх будет подсчитано количество импульсов N

=й„+ ат Fzz =М „„„+ Лт- К где m=Eпt/1 ogxÒ -) hT=Tx-T „-и и14и

Fo

Ncu =ттии F + (Tx -Ти,„и ° К )Г Фт .Fo Т,,К Fo Fo

В11и 0 Х Ки Ф1и Ки - X K .

После окончания первого этапа начинается второй этап - этап вычисления частоты, на котором значение Мр преобразуется в число, пропорциональное частоте. Осуществляется деление постоянного .количества N на М „

N N ° К Мв К

N Х

ЭЬМ М ц Tx Fo Fo

966619 и деление количества импульсов N » алых„ на значение К» » йэы 1 йо К Fx No

N О (-î-) вын К» Fo K»" F x

Значение EntfN>> > ) соответствует измеренному значению частоты в выб-! ранных единицах измерения, а значение N „„, - EntLNtы„, .) (остаток от вых )

;второго деления) соответствует дробной части, которая уточняет измеренное значение частоты до долей выбранной единицы измерения.

Устройство для измерения частоты импульсного сигнала работает следующим образом.

В исходном состоянии блок 1 управления подает запрещение на элемент

И 2, счетчики и регистры устройства находятся в исходном, нулевом состоянии (цепи начальной установки на фиг,1 не показаны). По команде "Пуск" поступающей на блок 1 управления извне (или по команде от встроенного тай- мера), блок 1 управления формирует временной интервал, равный одному или нескольким периодам Т измеряемой частоты F>, который поступает на первый вход элемента 2 И. На первом этапе производится квантование периода

Т измеряемой частоты импульсами частоты квантования Гкв, поступающими с выхода блока 6 изменения частоты квантования. В начальный момент времени значение частоты квантования равно ГкЭ =Г (где Fo — частота генератора 14 постоянной частоты).

Элемент 2 И открывается на время

Т, импульсы частоты квантования поступают на вход первого счетчика 3.

Поступление первых N импульсов и »,=Т»,„.», F свидетельствует о том, что значение измеряемого периода сравнялось с нижней границей периода (верхней границей частоты) измеряемого сигнала. Если период Т не превышает величины 2Т„„ », (значение коэффициента деления частоты квантования К выбрано равным -2), то частота импульсов, поступающих на вход первого счетчика 3, до конца периода

Тх останется равной F . Если Т„=

=2Т ;„„, в счетчик 12 блока 6 запишется импульс переполнения, дешифратор 13 подает разрешение на тот элемент 16 И, на другой вход которого поступает частстаГО)Q.с выхода триггера 15.1, которая через элемент

17 ИЛИ поступает на вход элемента °

2 И, т.е. частота квантования периода Т) уменьшится в два раза. В первый счетчик 3 при этом с помощью формирователя 5 записывается значение N> > =

=N)„ ° . Остаток времени а T=T>-2Т„,„„, Иin будет заполняться частотой %o)?.è т.д. до окончания периода Т . При каждом переполнении первого счетчика 3 час10 тота квантования будет уменьшаться в два раза. К моменту окончания периода Т частота квантования <в будет равна

Fo кв 2

;где m= Е n t(to9 " )(-тт „„

Ent - целая часть выражения в скобках;

Т

Г»„, „

В первом счетчике 3 будет записано количество импульсов N

15 N и +а, F goN t„+(TX-T

Го Fo w F Fo

2»» o»»14П Х 2 en » 2 » g Х

Кроме того, на этапе измерения периода Т в зависимости от значения

20 периода Т> изменяется коэффициент деления дискретного делителя 9. Это осуществляется следующим образом. В исходном состоянии перед поступлением периода TX измеряемого сигнала и,при

>5 Т„<2Т»,»;», третий счетчик 7 через де.шифратор 8 подает. разрешение на элемент 25 И. При Tg))2T »1 третий счетчик 7 через дешифратор 8 подает разрешение на элемент 23 И и т.д. При

30 Т =T äx третий счетчик 7 через дешифратор 8 подает разрешение. на элемент

18 И. Таким"образом, в зависимости от значения периода измеряемого сигнала Т разрешение будет подано на

35 элемент И, который разрешает прохождение импульсов с выхода двоичного делителя 4 через различное количест во триггеров. Например, при Tx 2 ) »»,», импульсы с выхода двоичного делителя

40 4 будут поступать на выход дискретного делителя 9 через элемент 25 И элемент 27 ИЛИ, т.е. один импульс на входе соответствует одному импульсу на выходе. При 2Т„„„",„ Т> <4Т „„ импуль45 сы с выхода двоичного делителя 4 будут поступать на выход дискретного делителя 9 через элемент 23 И, элемент

24 ИЛИ, триггер 26, элемент 27 ИЛИ, т.е. два импульса на входе соответствуют одному импульсу на выходе. Состояние триггера 26 уточняет значение измеряемой частоты до 1/2 единицы измерения (до 1/2 импульса на выходе элемента 27 ИЛИ).

После окончания первого этапа

55 квантования Tz начинается, второй этап — вычисление Fz, на котором

Значение йсчпреобразуется в значение

N, пропорциональное измеряемой частоте. На вход двоичного делителя 4

Q) блок 1 управления подает делимое N„ (постоянное количество импульсов).

На выходе двоичного делителя 4 формируется количество импульсов N и =Ent(— )=Ent(— 2 Гу ), йо

4(йсч Fo

966619

8 которое поступает на дискретный делитель 9, на выходе которого формируется количество импульсов и

N. =Епt(- )=Eut(— F>). и йь

P NA

Причем с выхода элемента 27 ИЛИ дискретного делителя 9 снимается измеренное значение частоты в целых единицах измерения (например, 1 импульс соответствует 1 Гц), которое,10 поступает во второй счетчик 11. Пос- . ле окончания второго этапа блок 1 управления формирует импульс %выписи, " который поступает на вход регистра

10, на установочные входы которого поступают сигналы с выходов триггеров 19, 22 и 26 дискретного делителя 9, причем состояние "1" триггера

26 соответствует 0,25 Гц. Состояние "1" триггеРа 19 соответствует

0,125 Гц, а остаток в двоичном делителе 4 никогда не превышает цены младшего разряда дискретного делителя 9.

При малых периодах (больших частотах) частота квантования периода Т; велика,.и относительная погрешность измерения периода не хуже заданной, при .увеличении периода Т„ частота квантования уменьшается в соответствующее число раз, т.е. относительная погрешность измерения периода остается такой же, как и на малых периодах. Поскольку при увеличении периода Тх значение в первом счетчике 3 никогда не превышает значения К ° М, 35 а на. вход двоичного делителя 4 поступает постоянное количество импульсов и, каждое уменьшение частоты квантования в два раза можно трактовать как увеличение в дна ваза делимого (в нашем случае постоянного и ) чтобы

40 сохранить на выходе устройства постоянную цену выходных .импульсов (например, 1 импульс соответствует 1 Гц), повышается коэффициент деления дискретного делителя 9. Однако, посколь45 ку в работе участвует различное количество триггеров, значение с выходов регистра 10, уточняющее результат Hsмерения, каждый раэ разное, при разНЫХ Гкэ . Тан, ПРИ МаЛЫХ ПЕРИОДаХ (больших частотах) на выходе дискретного делителя 9 формируется значительпредлагаемого устройства заключается в повышении точности измерения час.ное количество импульсов, и относительная погрешность, вносимая остатком от деления йо на и ц ° К невелика. При больших йериодах {малых частотах) на выходе дискретного делите.ля 9 формируется малое количество импульсов, и относительная погрешность, вносимая остаткбм от деления 60 и О íà М ц К, возрастает, и этот остаток автоматически учитывается.

Технико-экономический эффект тоты импульсного сигнала при сохранении быстродействия. Повышение точности обуславливается тем, что в прототипе остаток от деления калиброванного интервала времени на период, прямо пропорциональный периоду измеряемого сигнала, отбрасывается и полностью определяет погрешность измерения. В предлагаемом устройстве остаток от деления постоянного количества импульсов на результат суммирования, который переписывается из дискретного делителя 9 в регистр 10, уточняет результат измерения частоты импульсного сигнала, причем этот остаток учитывается (выводится) при больших значениях периода (меньших значениях частоты ) измеряемого сигнала, когда особенно важно повысить точность измерения.

Если в прототипе остаток от деления калиброванного интервала времени

Т„ aaT>jN . максимальное значение которого может достигать значения, соответствующего TzjN независимо от

Т отбрасывается и влияет на погрешность измерения, уменьшая измеренное значение по сравнению с действительным значением, частоты, то в изобретении остаток от деления постоянного количества импульсов и íà N > К фиксируется в дискретном делителе 9 в долях выбранной единицы измерения частоты, поскольку с выхода двоичного делителя 4 цена каждого импульса уже соответствует значению(К /lo) Р т.е. цена младшего разряда в регист ре 10, уточняющая измеренное значение частоты, в К"" раэ меньше выбранной единицы измерения. частоты (значение младшего разряда в счетчике 11)

Таким образом, в предлагаемом частотомере точность измерения частоты импульсного сигнала выше. Кроме того, в предлагаемом частотомере точность измерения частоты(цена младшего разряда в регистре 10) зависит от значения измеряемой частоты. Так,при больших значениях частоты измеряемого сигнала цена младшего разряда в регистре 10 максимальна (равна выбранной единице измерения), а при меньших значениях частоты измеряемого сигнала цена младшего разряда в регистре 10 минимальна, (равна выбранной единице изме-, рения, уменьшенной в К1" раз), т.е. изобретение является адаптивным, подстраивающимся под значение (диапазон) частоты измеряемого сигнала, что позволяет измерять частоту импульсного сигнала всегда с заданной погрешностью, за одно и то же время.

Формула изобретения

Цифровой низкочастотный частотомер, содержащий блок изменения час966619

10 тоты квантования, первый и второй счетчики, элемент И, блок управления, вход которого подключен к входной шине устройства, первый выход— к первому входу элемента И, второй вход которого соединен с выходом бло- з ка -изменения частоты квантования, а .выход элемента И соединен со счетным входом первого счетчика, первый выход которого соединен с входом блока изменения частоты квантования, о т л и- 1О ч а ю шийся. тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены третий счетчик, дешифратор, дискретный делитель, регистр,. формирователь., двоичный делитель, счетный 5 вход которого соединен с вторым,выходом блока управления, управлякщие входы двоичного делителя соединены с вторыми выходами первого счетчика, а его выход — со.счетным входом дискретного делителя, управляюцие входы которого через деыифратор соединены с выходами третьего счетчика, последовательный выход дискретного делителя подключен к входу второго счетчика, а параллельные выходы дискретного делителя подключены к информационным входам регистра, импульсный вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а выход регистрас первой выходной шиной устройства, при этом вход формирователя подключен к первому выходу первого счетчика, к входу блока изменения частоты квантования, выход формирователя соединен с установочными входами первого счетчика, а выход второго счетчика соединен с второй выходной шиной устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 ° Авторское свидетельство СССР

Р 573768, кл. G 01 R 23/10, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР Р. 543882, кл. G Oi R 23/10, 1977.

966619

Корректор О.Билак филиал ППП Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

; Составитель Н.Каплин.Редактор Е.Дичинская Техред A.Бабинец и °

Заказ 7837(63 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, E-35 Раушская наб., д.4у5