Устройство измерения приращения частоты электрических сигналов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскки

Соцкалксткческмк

Республик (1980012 (6l ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 15.06.81 (2I ) 3302869/18-21 с присоединением заявки РЙ(23) Приоритет— (51)М. Кл.

G 01 R 23/10о тооуаврстккииый комитет

CCCP ве долам изоорвтоиий и открытий

Опубликовано 07.12.82. Бюллетень Ют 45 (53) УДК 621.317..761 (088.8) Дата опубликования описания 07. 12.82

«

1 с

1 ! (72) Автор изобретения

В. И. Емельяненков

Специальное конструкторско-технологичесКое бюро с опытным производством при БелорусскоМ ордена

Трудового Красного Знамени государственном университете им. В. И. Ленина (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПРИРАЩЕНИЯ

ЧАСТО1Ы ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано, в частности в измерительных системах с частотными датчиками, в устройствах стабилиэапии частоты.

Известно устройство для измерении приращения частоты, содержащее формирователь, элемент совпадения, переключатель, счетный блок начального значения о частоты, схему перезаписи, генератор калиброванной частоты, делитель частоты, блок управления и счетный блок значения приращения частоты. Работа устройства основана на подсчете числа импульсов измеряемых частот в заданном интервале времени (1 1

Однако это устройство имеет большую погрешность измерения из-за несовпадения границ заданного временного интервала. Кроме того, диапазон частот, прирашение которых измеряется, o| раничен быстродействием счетных схем.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения приращения частоты электрических сигналов, содержащее формирователь мерных интервалов, генератор эталонной последовательности, формирователь импульсов, элемент совпадений, основной и дополнительный вентили, основной и дополнительный счетчики, вычисли тель.

В нем регистрируются совпадения импульсов эталонной последовательности и . последовательности импульсов неизвестной частоты и формируется временной интервал между импульсами совпадений, Под-:. считывается число М о периодов эталонной последовательности и число и совпадений, попавших в сформированный интервал мбжду совпадениями. По подсчитанным значениям и э н и для номинальной УК и неизвестной fg частот определяют искомую разность а f. Указанное устройство позволяет расширить диапазон частот, приращение которых иэм.ряется

980012 за счет того, что обеспечивает возможность выбора достаточно большого временного интервала между совпадениями при произвольном сочетании частот

" f н, (21.

Одйако выбор совпадений в известном устройстве не является оптимальным,изза чего возможна потеря точности измерений при больших расстройках.

Целью изобретения является повышение точности.

Указанная цель достигается тем, что в устройство измерения приращения частоты электрических сигналов, содержащее последовательно соединенные генератор эталонной последовательности, первый вентиль, первый счетчик и вычислитель, последовательно соединенные формирователь мерных интервалов, второй вентиль, второй счетчик, а также формирователь импульсов и элемент сравнения, два входа которого соединены соответственно с выходами формирователя импульсов и гене ра тора э талонной посл едова тельнос ти, при этом второй выход первого счетчика подключен к первому входу формирователя мерных интервалов, выход которого соединен с вторым входом первого вентиля, выход второго счетчика подключен к второму входу вычислителя, введены первый и второй элементы ИЛИ и М каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные счетчик канала, элемент сравнения кодов и первый дополнительный вентиль, а также последова35 тельно соединенные регистр, дешифратор и второ@ дополнительный вентиль, причем в каждом канале выход счетчика канала соединен с кодовым входом регистра, выход которого подключен к второму входу элемента сравнения кодов, управляющие входы счетчика канала, регистра и вторые входы первого и второго дополнительных вентилей соединены вместе и подключены в первом канале к выходу эле45 мента сравнения, во всех каналах, начиная со второго, управляющие входы счетчика, регистра и вторые входы первого и второго дополнительных вентилей соединены с выходом первого дополнительного вентиля предыдущего канала, импульсные входы счетчиков каждого кайала соедине: ны с выходом генератора эталонной последовательности, выходы вторых дополнительных вентилей каждого канала ч первого дополнительного вентиля последнего канала соединены с соответствующими входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен ко второму входу формирователя мерных интервалов, выходы первого и второго дополнительных вентилей первого канала соединены соот.ветственно с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу второго вентиля.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 — временная диаграмма, поясняющая работу устройства.

Устройство содержит генератор 1 эталонной последовательности, формирователь

2 импульсов, элемент 3 сравнения, формирователь 4 мерных интервалов, первый . вентиль 5, первый счетчик 6, вычислитель 7, второй вентиль 8, второй счетчик

9, второй элемент ИЛИ 10, первый элемент ИЛИ 11, М-каналов, в каждый из которых входит счетчик 12 канала, ре- гистр 13, элемент 14 сравнения копов, дешифратор 15, первый дополнительный вентиль 16 и второй дополнительный вентиль 17.

Устройство работает следующим образом.

В каждом канале счетчики 12 канала подсчитывают поступающие на их импульсные входы импульсы с генератора 1 эталонной последовательности межпу моментами прихода импульсов на управляющие входы счетчиков 12, регистров 13 и вторые входы вентилей 16 и 17. В момент прихода импульса на управляющий вход счетчика 12, его состояние фиксируется.

Элемент 14 сравнения кодов сравнивает код счетчика 12 и код регистра 13. Если в этот момент код счетчика 12 больше (или меньше} кода регистра 13, то элемент 14 открывает вентиль 16 и пропускает импульс, поступающий в это время на его первый вход. Одновременно дешифратор 15 анализирует код регистра

13, и, если он больше заданного значения Ny,то дешифратор 15 открывает вентиль 17 и пропускает импульс, поступающий на первый вход этого вентиля, По окончании действия импульсов (напри мер, по их заднему фронту), поступающих на управляющие входы счетчика 12 и регистра 13, содержимое счетчика 12 переписывается в регистр 13, а сам счет чик обнуляется. После этого процесс повторяется.

Таким образом, в каждом канале входящая последовательность импульсов, поступающая в него не управляющие входы счетчика 12 и регистра 13, а также на вторые входы вентилей 16 и 17, преоб5 9800 разуется. На выходе вентиля 16 формируется новая последовательность, составленная из тех импульсов входящей последовательности, которые образуют начальные (или конечные) границы таких интервалов между ближайшими импульсами, этой последовательности, длительность которых больше (или меньше) длительности предшествующих им аналогичных интервалов. Новая последовательность вы-1О бранных импульсов поступает в следующий канал. При этом для первого канала входящей является последовательность импульсов совпадений, сформированных элементом 3 из совпадающих импульсов эталонной частоты Д э и неизвестной частоты fz, поступающих на его первый и второй входы, соответственно, с выходом генератора 1 и формирователя 2.

В свою очередь, последовательность щ импульсов, выбранных в первом канале, через его вентиль 16 поступает во второй канал и уже для него является входящей и т. д.

Очевидно, что временной. интервал меж 5 ду импульсами каждой новой последовательности больше, чем интервал между импульсами входящей последовательности,, из которой формируется новая. Поэтому, в части каналов, начиная с того, для ко- 511 торого временные интервалы между импульсами входящей последовательности достаточно велики, коды на входах дешифраторов 15 превышают заданное значение ЙЭ.В этих каналах помимо преобразования входящие последовательности пропускаются через вентили 17 на соответствующие входы элемента .ИЛИ 11, а через него на импульсный вход формирователя 4 мерных интервалов, Если ни «> в одном из каналов вентили 17 не открыты, то на элемент ИЛИ 11 и через него на формирователь 4 мерных инервалов поступают импульсы с выхода вентиля 16 последнего канала. На,элемент ИЛИ 10 поступают импульсы с выходов вентилей

16 и 17 первого канала, а через него передаются на вход вентиля 8.

Формирователь 4 мерных интервалов по первому пришедшему на него импульсу открывает, а по rn-закрывает вентили

5 и 8. При этом счетчик 6 подсчитывает число N 3 импульсов, прошедших через вентиль 5. Когда содержимое счетчика

Я превысит наперед задаваемое число

l4oc него на формирователь мерных интервалов 4 подается сигнал, разрешаю l ший по одному из последующих импульсов, поступающих на импульсный вход, 12 6 закрыть вентили 5 и 8, В это время счетчик 9 подсчитвает число р импульсов, прошедших через вентиль 8, В первом цикле преобразования, соответствующего значению f<.1 исследуемой частоты, подсчитанные счетчиками 6 и 9 числа, соответственно и "„и -n„y момент закрывания вентилей 5 и 8 запоминаются вычислителем 7. При подаче частоты все операции повторяются, и новые коды Йэ счетчика 6 и п счетчика 9, соответствующие частоте f 1в момент закрытия вентилей 5 и 8, поступают на вычислитель 7, который определяет приращение частоты b f= f -fqq по формуле

1 1 дЕ=

1 1 (1) э э2 где 1 — номер кана)та, с которого снимается последовательность выбранных импульсов, Т э — период эталонной последова тельнос ти.

Работа устройства поясняется с помощью диаграммы, представленной на фиг. 2. На диаграмме последовательности разбиты на участки. Импульсы эталонной, назовем ее первой, последовательности с периодом Тэ= 1/f> изображены на трех участках à, r, ж..Для удобства onределения импульсы эталонной последовательности пронумерованы. Аналогичным образом на участках б, д, з представлены импульсы второй последовательности с периодом Тэ = 1/fх.

Совпадения импульсов первой и второй последовательностей образуют последовательность импульсов совпадений. Импульсы совпадений группируются в пакеты. Временные интервалы между импульсами, входящими в пакеты, равны Т т.е. величине периода первой последовательности. Между пакетами образуются интервалы, имеющие длительность, превышаюшую величину 2Т . Это позволяет в первом канале из исходной последовательности совпадений выделить либо первые, либо последние импульсы пакетов импульсов совпадений, так как эти импульсы образуют границы интервалов, дли тельность которых отличается от длительности соседних с ними интервалов.

В частности на диаграмме (фиг. 2в, и) это импульсы с номерами О, 4, 8, 11, 15, 18 и .22.

В произвольном случае совпадения реализуются не при одинаковом взаимном расположении совпадающих импульсов первой и второй последовательностей.

8 d Ò w. iТЭ- Т)1, (7) М" Т = М"хТ +д Т

Э Э гр логичных интервапов.

7 98001

Если принять за начальное состояние взаимное попожение импульсов первой и второй посдедовательностей некоторого произвольного совпадения, то в следующих совпадениях наблюдается смешение совпадающих импульсов по сравнению с начальным состоянием. Например, если на диаграмме (фиг, 2) принять за начальное Сос 1бяние совпадение, реализуемое имду)1ьсом 0 первой последователь- 1р ности, то импульс 4, реализующий первое и = 1 совпадение за начальным, имеет смешение с T"",,импульс 8, реализующий второе и= 2 совпадение имеет смешение

< Т (2)=2(РТЪ т, д.

Очевидно, что дпя первого совпадения ипи дпя бпижайших совпадений, имеет место равенство где N 1 и Н вЂ” число периодов, соответственно, первой и второй последовательностей между ближайшими совпадейиями, а д Т погрешность задания интервала меж-5

1 ду совпадениями.

Учитывая, что дпя ближайших совпадений имеет место равенство сом второй последовательности, уменьшается на такую же величину. Очевидно, что существует такое число, и= 0 при котором выполняется неравенство из которого следует неравенство

Но это означает, что импульс первой последовательности, имеющий номер И Р-1, также совпадает с импульсом второй поспедовательности. При этом временной интервал между 0- м совпадением, реализованном на импульсе первой последоватепьности с номером М" 0-4, а не с но1 Э мером М Э 0 и (0-1)-м совпадением, реализованном на И (Й-1)-м импульсе

Э

1 первой.последовательности, равен Т z-Т-Ti

1 о с в не Тс- М Т,квк это имеет место дпя

Э остальных интервалов между совпадениями, т.е. имеет место интервалы между совпадениями, длительность которого отличается от длительности соседних анаЕсли совпадение с номером N > 0-1

Зр принять за начальное и вновь продапжить аналогичный анализ, то можно попучить очередной интервал между совпадениями, дпительность которого отличается от соседних, таким образом, получается поспедоватепьность указанных интервалов, 35 имеющих длительности, отличные от длительностей аналогичных соседних с ними (3) (4) л

Для произвопьного совпадения A имеет место следующее соотношение х С и (и)=й n= " + (5)

Э Э Т -Т„т -т„

Следовательно число 1ч э1(и) определяет и номер импульса первой последовательности, на котором реализовалась и-е совпадение.

В первом канале выделяется последовательность импульсов совпадений, имеющих номера И1(и) Эта последовательность поступает во второй канала.

Как уже отмечалось, дпя каждого сов-5

5Р падения H>(n),следующего за начальным, с увеличением номера и возрастает и величина смещения д Т (й)= и с Т „B связи с тем, что смешение с(Тс(и) увеличивается, интервал между тем импульсом первой последовательности, котЬрый имеет номер Й1 (n-1)и предшествует импульсу совпадения, и ближайшим к нему импульинтервалов.

Совпадение n = 1, реапизуемое 4-м импульсом, имеет смешение O Т, совпа1 дение и=2 имеет смещение 2сРТ" и оно реализовано на 8-м импульсе. Однако совпадение и=3 реализовано не на 12-м импульсе1 как этого следовало ожидать, а на 11-м. При этом реализуется интер45

% вал между совпадениями, равный Т = 3T> а не T =4Т,как это имеет место дпя предшествующих совпадений. можно записать после подстановки (3) и (2).

Т ФО Т э Тз т

Т -Т

Х

Во втором канапе из последовательности импульсов, входяших в него, выделяются те, которые образуют начальные (или конечные) гранины интервалов

Т между совпадениями, длительность

% которых отличается от дпительности соседних интервалов.

Временной интервал между импульсами, выделяемыми вторым каналом, определяется следующим образом. Нв основа9 9800 нии неравенства (6) можно получить,что

ТЭ - TÕ (8) с откуда с учетом равенства (2) имеем

Р = тэ- тх

, (т,-т„)-т„

Тогда число (э периодов Т между совпадениями, выбираемыми вторым каналом, определяется следующим соотношением = Тх Х1 (18) 15 (21) ы т

Hj Nj-1

Э Э

ИЭ, («) г5

Tq N32 Тх2 х 2 °

Аналогичным образом погрешность квантования для второго канала определи ется по зависимости (10) и равна

Х1 91 1

Х2 Э2 2 (16) (17) При Р= и первые интервалы как для последовательностей, сформированных в первом канале, так и дпя лоследовательТ

Н =И Е-1=К э э э о Т) с э х

=й 1 . (10) с

Аналогичным образом для произвольного 1-го канала получаегся следующая зависимость где М вЂ” число периодов эталонной по1 следовательности между импульсами, выделенными в 1-м канале,У ) "иФТ <ае- Эо личины смешений совпадений, соответствующие последовательностям, выделяемым в (1-1)-м и (i-2)-м каналах.

Для совпадений, выделяемых 1-м каналом, имеют место соотношения 35

ТЭ Й = Тgq ЙХ1+с/ Т, (12

Тэ МЭ, Х2ИХХ T (13) или приближенные равенства

Для этих совпадений справедпивы соотношения где п1, и — числа интервалов между совIIaaeHHAMH, выделяе ми в первом кана- 55 ле и содержащиеся в мерном интервале между импульсами, выделенными в 1-м канале.

12 10

Учитывая, что приращение периода измеряемой частоты определяется формулой а также подставляя (16) и (17), соответственно в (14) и (15) можно записать и =Т (Ч п...

Э Э1 Х1 1 Э1 1 (19)

ТТЯ =Т с (N>2+n2)+nTNq2. (20) Разделив левые и правые части уравнения (20) на левые и правые части уравнения (19), можно получить одно уравне ние

Э2 2 х2 Х2

N1 +П ТХ Т (H + II ) После преобразований получается расчетное соотношение (1).

Сравным погрешность квантования, возникающую при использовании последовательностей, формируемых первым и вторым каналами.

Для первого канала на основании соотношения (5) крутизна преобразования б определяется следующим равенством

dN с) f nT„) сст>

S-ат„)т„i т -тс / (т -т„) ПогреШность квантования определяется как величина изменения Т)(при изменении )(" на единицу и может быть принята как значение BT,„ïðè dM"=1. После с подстановки в равенство (22 ), получается (Э Х) с)Т / r = (23)

Э (а тх(q (24) Х/аЕ=1 Ет, Е

980012

12 ностей, сформированных во втором канале, являются одинаковыми. Однако погрешность квантования в случае использования второго канала меньше, чем погрешность квантования первого канала.

С увеличением числа канадов погрешность уменьшается.

Таким образом, посредством выделения импульсов совпадения последовательной цепочкой каналов достигается 0 уменьшение погрешности квантования. За счет этого предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерения по сравнению с известным.

1S

Ф ормула из обретения

Устройство измерения приращения частоты электрических сигналов, содержащее последовательно соединенные генера- 20 тор эталонной последовательности, первый вентиль, первый счетчик и вычислитель, последовательно соединенные фор» мирователь мерных интервалов, второй вентиль, второй счетчик, а также форми- 25 рователь импульсов и элемент сравнения, два входа которого соединены соответственно с выходами формирователя импульсов и генератора эталонной поспедовательности, при этом второй выход первого З0 счетчика подключен к первому входу формирователя, мерных интервалов, выход которого соединен с вторым входом первого вентиля, выход второго счетчика подключен к второму входу вычислителя, о т-З5 л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первый и второй элементы ИЛИ и М каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные счетчик40 канала, элемент сравнения кодов и первый дополнительный вентиль, а также последовательно соединенные регистр, дешифратор и второй дополнительный вентиль, причем в каждом канале выход счетчика канала соединен с кодовым входом регистра, выход которого подключен к второму входу элемента сравнения кодов, управляющие входы счетчика канала, регистра и вторые входы первого и второго дополнительных вентилей соединены вместе и подключены в первом канале к выходу элемента сравнения, во всех каналах, начиная со второго управляющие входы счетчика, регистра и вторые входы первого и второго дополнительных вентилей соединены с выходом первого дополнительного вентиля предыдущего канала, импульсные входы счетчиков каждого канала соединены с выходом генератора эталонной последовательности, выходы вторых дополнительных вентилей каждого канала и первого дополнительного вентиля последнего канала соединены с соответствующими входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу формирователя мерных интервалов, выходы первого и второго дополнительных вентилей первого канала соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу второго вентиля.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

N 530260, кл. Сi 01 R 23/10, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

М 7657411 кл С 01 R 23/1 О, 18.09.78.