Цифровой частотомер

(9) 23/О 51) С ОБРЕТ САНИЕРСКОМУ СВИДЕ ТЕЛ У К рым, вход строи 1, о т отомер по и.й с я тем,ой функции в а о формиролнен в ь весов к ком атора,ков у нтоат ка ми начальнои уста- модулю три, накапра, формирователя с входами синхросоединен с входа новки счетчика п суммункци ливающе весовой ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(56) Авторское свидетельство СССРВ 892332, кл. С О 1 К 23/00, 1981.(54)(57) 1. ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР,содержащий последовательно соединенные генератор образцовой частоты ипервый формирователь импульсов, счетчик импульсов, последовательно соединенные накапливающий сумматор,нормализатор, дешифратор и индикатор, а также второй формировательимпульсов, вход которого являетсявходом устройства, и формировательвесовой функции, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапа-зона рабочих частот, в него введеныпоследовательно соединенные кодовыйкомпаратор и вентиль, при этом первый вход кодового компаратора соединен с первым кодовым входом устройства и с первым кодовым входомформирователя весовой функции, авторой вход соединен с информацион-.ным выходом .счетчика импульсов, импульсный выход которого соединенс входом синхронизации нормапизатора,счетный вход подключен к выходувторого формирователя импульсов ик второму входу вентиля, выход которого соединен с импульсным входомформирователя весовой функции, выходкоторого подключен к информационномувходу накапливающего сумматора,вход синхронизации которого соединен с выходом первого формирователяимпульсов и с входом синхронизациивторого формирователя импульсов,а вход начальной установки устройства соединен с входами начальнойустановки счетчика импульсов, накапливающего сумматора и формирователя весовой функции, второй, третий и четвертый кодовые входы которого соединены соответственно с втоетьим и четвертым кодовыми виде последовательно соединенмутатора и накапливающего сумма также трех вычитающих счетчсчетчика с переменным коэффициделения, дешифратора и последно соединенных распределителяпульсов, элемента ИЛИ и счетч по модулю три, импульсный выход которого соединен со счетными входамивычитающих счетчиков, а управляющийвыход подключен к входам управлениякоммутатора и распределителя импульсов, импульсный вход которогосоединен с входом синхронизации на"капливающего сумматора и с импульсным входом формирователя весовойфункции,. второй выход подключенк счетному входу счетчика с переменным коэффициентом деления, выход ко-. 3торого соединен с вторым входом элемента ИЛИ вход начальной установки1167519Уу ЪМЦ рвадоттгфЮЬфеюир МОЮ фц Овоселов Составитель ВТехред О.Ващиш Редактор И,Рыбченко.Самборская на Корре аказ 4431/ исноР НИИПИ по дел13035,д. 4 иал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. ПроектнаяУаСи ирак 748 По сударственного комитета С м изобретений и открытий осква, Ж, Раушская наб1167519 низации установки первого, второгои третьего вычитающнх счетчиков,установочные входы которых соединены соответственно с первым, вторыми третьим кодовыми входами Формирователя весовой функции, четвертый Изобретение относится к электро- измерительной технике и может быть использовано для измерения частоты и периода исследуемого периодического сигнала, 5Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона рабочих частот путем снижения погрешности измерения.На фиг. 1 представлена структур ная схема устройства, на фиг. 2 временные диаграммы сигналов в различных точках устройства, на фиг.3 и 4 в приме реализации соответственно кодового компаратора 15 и накапливающего сумматора.Устройство (фиг. 1) содержит пос.-, ледовательно соединенные генератор 1 образцовой частоты, первый формирователь 2 импульсов и второй фор- О мирователь 3 импульсов, выход. которого соединен с вторым входом вентиля 4, последовательно соединенные накапливающий сумматор 5, нормали- затор 6, дешифратор 7 и индикатор 8, 25 а также счетчик 9 импульсов, кодовый компаратор 10, формирователь 11 весовой функции, состоящий из накапливающего сумматора 12, коммутатора 13, первого вычитающего 30 сч етчика 14, второго вычитающег о 1счетчика 15, третьего вычитающего счетчика 16, распределителя 17 импульсов, элемента ИЛИ 18, счетчи - ка 9 по модулю три, счетчика 20 с переменным коэффициентом деления и дешифратор 21.Выход первого формирователя 2 импульсов соединен с входами синхронизации накапливающего сумматора 5 и второго Формирователя 3 импульсов. Второй формирователь 3 импульсов соединен со счетным входом кодовый вход которого соединен свходом управления счетчика с переменным коэффициентом деления и свходом дешифратора, выход которогосоединен с установочным входомсчетчика по модулю три. счетчика 9 импульсов, импульсныйвыход которого соединен с входом синхронизации нормализатора 6, а информационный выход подключен к второмувходу кодового компаратора 10;Выход кодового компаратора 10 соединен с первым входом вентиля 4, аего первый вход подключен к первомукодовому входу устройства и первомукодовому входу Формирователя 11весовой функции . Выход вентиля 4соединен с импульсным входом Формирователя 11 весовой функции, выход которого подключен к информационному входу накапливающего сумма-,тора 5. Выход начальной установкиустройства соединен с входами начальной установки счетчика 9 импульсов, накапливающего сумматора 5и формирователя 11 весовой функции.Выход накапливающего сумматора 12соединен с выходом формирователя 11весовой функции, а информационныйвход подключен к выходу коммутатора 13. Входы коммутатора 13 соединены с выходами первого, второгои третьего вычитающих,счетчиков14, 15 и 16, счетные входы которыхподключены к импульсному выходусчетчика 19 по модулю три. Управляющий выход счетчика 19 по модулютри соединен с входами управлениякоммутатора 13 и распределителя17 импульсов, импульсный вход которого соединен с импульсным входомФормирователя 11 весовой функциии с входом синхронизации накапливающего сумматора 12. Входыраспределителя 17 импульсов подключены к первому входу элементаИЛИ 18 и ксчетному входу счетчика20 с переменным коэффициентом деления, импульсный выход которого45 соединен с вторым входом элементаИЛИ 18. Выход элемента ИЛИ 18подключен к счетному входу счетчика 19 по модулю три, вход начальнойустановки которого соединен с 5входами начальной установки формирователя 11 весовой функции, накап,пивающего сумматора 12, счетчика20 с переменным коэффициентом деления и с входами синхронизации установки первого, второго и третьеговычитающих счетчиков 14, 15 и 16,установочные входы которых подключены соответственно к первому, второму и третьемукодовым входам формирователя 11 весовой функции, четвертый кодовый вход которого соединенс входом управления счетчика 20с переменным коэффициентом деленияи с входом дешифратора 21. Выход 20дешифратора 21 подключен к установочному входу счетчика 19 по модулютри.Устройство работает следующим.образом. 25Перед изменением на первом,втором, третьем, и четвертом кодовых входах устройства устанавливают соответственно коды чисел 3,8, 6 и Ь, причем 8, = , 8= 2 К), 30Я =.-2, Ь = -1, где К - целаячасть отношения и / (2 в -1), вцелая часть отношения "о /Т- время корреляции случайнойпогрешности измерения. 35Коды 3, , 82 , 35 поступают соответственно на первый, второй и тре-.тий кодовые входы формирователя11 весовой функции, т.е. на установочные входы соответствующих вычитающих счетчиков 14, 15 и 16.Код Ь поступает с четвертого кодового входа формирователя 11 весовойфункции на управляющий вход счетчика 20 с переменным коэффициентомделения и на вход дешифратора 21.Код числа 1 одновременно подается .на первый вход кодового компаратора 10,Перед началом цикла измерения 50по сигналу начальной установки навходе устройства сбрасывается в"0" память накапливающих сумматоров 5 и 12; счетчика 9 импульсов,счетчика 19 по модулю три и счетчика 20 с переменным коэффициентомделения. Одновременно сигнал начальной установки поступает на входы синхронизации установки первого, второго и третьего вычитающих счетчиков 14, 15 и 16, записывая в них соответственно коды 8, = К, 62 К31= -2. При этом сигналы с выхода первого формирователя 2 импульсов поступают на вход синхронизации накапливающего сумматора 5, но не изменяют его нулевого состояния, так как на его входе действует код "0" с выхода накапливающего сумматора 12, проход сигналов через вентиль 4 разрешен потенциалом с выхода кодового компаратора 10, так как на первом входе последнего приложен код 1 , а на втором входе - код "0", 1 ъ О, нулевое состояние счетчика 19 по модулю три управляет коммутатором 13 и распределителем17 импульсов таким образом, что на входе накапливающего сумматора12 приложен код с выхода первого вычитающего счетчика 14, т.е.31 = К , и разрешен проход сигнала с входа распределителя 17 импульсов на первый вход элемента ИЛИ 18.Входной сигнал поступает на второй формирователь 3 импульсов, на выходе которого образуется поток импульсов, соответствующих моментам перехода смеси сигнала и шума через нулевой уровень. Фронты этих импульсов вследствие синхронизации второго формирователя 3 импульсов сигналами с выхода первогоформирователя 2 импульсов формируются квантующими импульсами образцо-. вой частоты (фиг. 2). Сформированные таким способом сигналы с выхода второго формирователя 3 импульсов поступают на счетный вход счетчика 9 импульсов, через открытый вентиль 4 - на вход синхронизациианакапливающего сумматора 12 и на вход распределителя 17 импульсов. Таким образом, импульс, соответ-. ствующий началу первого периода 7, измеряемой частоты, поступая на вход синхронизации накапливающего сумматора 12, формирует на его выходе, а следовательно, на входенакапливающего сумматора 5 код3,К, При этом в течение времени 1 изм (фиг. 2) происходит накапливающее суммирование кода8 - М, т.е. по каждому квантующему импульсу с выхода первого формирователя 2 импульсов происходитувеличение содержимого накапливающего сумматора 5 на величину Поэтому к концу периода Т 1 в накапливающем сумматоре 5 фиксируется код числа 21 Т и 21, Одновременно импульс начала периода Т 1 с выхода вентиля 4 через распределитель 17 импульсов и элемент ИЛИ 18 поступает на счетный вход счетчика 19 по модулю три и устанавливает его в состояние "1", котор 2 ое управляет коммутатором 13 и распределителем 17 импульсов таким образом, что на вход накапливающего сумматора 12 поступает код второго вычитающего счетчика 15, т.е. код 32, и разрешается проход сигнала с выхода распределителя 17 импульсов на счетный вход счетчика 20 с переменным коэффициентом деления.Второй импульс измеряемой частоты, соответствующий концу периода Т,м и началу второго периода Т р, , действуя на входе синхронизации накапливающего сумматора 12, формирует на его выходе код числа 61+ 8: Зк, который поступает на вход накапливающего сумматора 5. Благодаря этому в течение периода Тм накапливающий сумматор 5 под действием квантующих синхросигналов с выхода первого фдрмирователя 2 импульсов осуществляет накапливающее суммирование числа 616 = 3 к, т.е. к моменту окончания второго периода Т 1 в Накапливающем сумматоре 5 будет зафиксировано число, равное Одновременно второй импульс измеряемой частоты поступает через распределитель 17 импульсов на счетный вход счетчика 20 с переменным коэффициентом деления, коэффициент пересчета которого равен в -1, и устанавливает его в состояние "1". При этом состояние счетчика 19 не изменяется, и на входе накапливающего сумматора 12 продолжает действовать код о= 2 К с выхода второго вычитающего счетчика 15. Третий импульс измеряемой частоты, поступая на вход синхронизации накапливающего сумматора 12, формирует на его выходе код весового коэффициента, равный,+23 =5 к . Код на входе накапливающего сумматора 12 не изменяется до моментаприхода и 1 -го импульса измеряемойчастоты, который переполняет счет 5 чик 20 с переменным коэффициентомделения и с его выхода через элемент ИЛИ 18 поступает на счетныйвход счетчика 19 по модулю три, переводя его в состояние "2". Такимобразом, к моменту прихода( й +1)-го импульса измеряемой частоты в накапливающем сумматоре 5фиксируется код числаВ 15 ИМ1 2 "2 (м)ИЬМ " 1 ИМ1 т ",с(,3 1 )Т,в фт (1 21 Т,м,Состояние "2" счетчика 19 по модулю три управляет коммутатором 13и распределителем 17 импульсов такимобразом, что на вход накапливающегосумматора 12 поступает код с выходатретьего вычитающего счетчика 16,равный 61 = - 2, и разрешается проход25 сигналов с выхода распределителя 17импульсов на счетный вход счетчика20 с переменным коэффициентом деления. Следовательно, под действиемследующих Ф -1 импульсов измеряемой частоты приращения весовыхкоэффициентов составят -2 по каждому импульсу измеряемой частоты до(2121-1)-го включительно, действующему на входе синхронизациИ накапливающего сумматора 12. Исходя из35связанного можно утверждать, чток"моменту прихода 2 Ф -го импульсаизмеряемой частоты содержимое накапливающего сумматора 5 составляей+14 О Зт,изма 116 РГ ) "- - Я ( Ят+щ ГГ 22 т ЦкТ,.1,:2 Е 21"(2 211-1)-й импульс измеряемой частоты переполняет счетчик 20 с переменным коэффициентом деления и с50 его выхода через элемент ИЛИ 18устанавливает счетчик 19 по модулютри в состояние "0, Сигнал переполнения с импульсного выхода счетчика 19 по модулю три поступает55 на счетные входы первого, второгои третьего вычитающих счетчиков14, 15 и 16 и изменяет их состоянияна -2, что достигается подачей сиг(2) Здесь черта сверху означает статистическое усреднение. Учитывая, что 2 Выражение для дисперсг (Тф) запишем в виде цен перепишем виде 2: 8 Е Р 21=1 2=ф 1дисперсия случайной погрености измерения,коэффициент корреляциислучайной величины. РИ 1-1-Фпри 1 11 . Тогда вырисать ение (3) о пере ожим(4 Произведемвесовых оптимизацию приркоэффициентов ф;ыражения (3) . Длянцируем (3) пороизводные нулю,ида ащении,найдя этого и ол учим:С 8 -,: 1тт-тт Х 1 1.-1 экст ем продиффеприравняв уравнения 1 а(5) 19 1167519 10 периода исследуемого Изменение каждого 1 -го временного сигнала, интервала (1 -го периода) сопровожда То- период повторения ется погрешностью измерения началаимпульсов на выходе и конца, причем погрешнось конца первого формирова-1 -го интервала одновременно являеттеля 2 импульсов. ся погрешностью начала (1 +1)-го приНаличие в знаменателе выражения мыкающего временного интервала (1),Е , обеспечивает несмещенность (фиг, 2) . С учетом жесткой функциов 1оценки Т , так как нальной зависимости этих погрешносп1 О тей в пределах Т; и Т, запишем а 1значение суммарной погрешности 1 ъдля (1)фг(1 3ЗСМК Ь "С К)ф "ф 1141 4 ътъ+ п .с .ьТт="Т; ФДля решения системы уравнений (5) вычтем (+1)-е уравнение из-го, При этом получим новую систему уравнений с=-О 1+з1+ (г-)Очевидно, что коэффициент а можновыбрать произвольно, в частностидля технической реализации удобновзять а =2. Бесовые коэффициенты,минимизирующие дисперсию оценки Топределяются в виде Ноставив значения 1 из (7) в (4), получим дисперсию оценки измеряемого периода-2 к к+) 2.% пъ);2 о(в-) (к)( к -1) 7 гС= -2 к (оъ-) 1,к)+ оо-)(2 с+) к 1) 1 ьв) (к ),5 гПри и ) 1 и Ив дисперсияоптимизированного алгоритма равна3,(Ч") =6 3. (ик,Дисперсия оценки периода известногоустройства при тех же условияхравна1=1;а Решение системы уравнений (6) 15 совместно с (5) дает при К = о (2 т - 1)=Ю(в-); .01 к-) 8 (Т ) =128 (окСледовательно, предлагаемое устройство позволяет снизить дисперсиюоценки измеряемого периода в двараза при В ) 1. При й 1 =1, т.е.при статистической независимости2 щ -1=1. По сравнению с классической среднеинтегральной оценкой,используемой, например в серийновыпускаемом частотомере Ч 3-54, эффективность предлагаемого устройствасоставит3,(т",)р,1 Г ) О Ь(1.то- 3 (Яе+1)Например, при и 10 , в = 13,1 = 40000 дисперсия оценки уменьшаюется примерно в 10 раз по сравнению со среднеинтегральной оценкой.Из описания работы предлагаемогоустройства следует, что процессформирования взвешенной суммы заключается в момент прихода(о+1)-го импульса измеряемой частоты, поэтому время измерения в предла в .гаемом устройстве выражается Быстродействие предлагаемогоустройства выше по сравнению с быстродействием известного устройства 55 (прототипа) на время фкоторое7для 20-30-разрядных кодов двоичных чисел составляет 40 - 50 мкс. Следовательно, верхняя рабочая частота13 1167519 для известного устройства определяется п 14 15 Я (4,6) 1 при п1иаъфрут 2000 Гц,1Для предлагаемого устройства 1 ,определяется практически частотойквантующих иипульсов на выходе первого. формирователя 2 импульсов,которая для современной элементнойбазы может быть 100 Мгц, т.е, имеет расширение частотного диапазонаввек И юцц 50000 раз,На фиг. 4 изображен пример реализации накапливающего суиматора 5,(12), содержащего регистр памятии сумматор См . Выход сумматорасоединен с. информационным входомрегистра 1 г , входы синхронизации С и входы сбросакоторогоявляются соответственно входамисинхронизации и начальной установки накаплнваинцего сумматора.Распределитель 17 импульсовможет быть реализован на базе дешифратора состояний счетчика 19 помодулю три и двух элементов И, напервые входы которого .подаются импульсы измеряемой частоты, а вторыевходы управляются сигналами с выхода дешифратора. Аналогичную распределителю имульсов структуру имеет коммутатор 13 с той лишь разницей, что он содержит три группы элементов И, управляеиых дешифратором, а выходы групп элементов И объединены элементом ИЛИ, выход которого является выходом коммутатора.На фиг, 3 изображен пример реализации кодового компаратора 10, который функционирует в соответствии с выражением при этом можно записать 20Х 1 фР) фхя,ч(х,Я,)хЯ,ч (хч х, ,)ф Ьч х)Учитывая, чтохарч(харч х )Ч ц хч хчд ) Чподучим окончательно" ") =хф И ч (х ч 3)(хф ф,ч ,),.Хч(х,ч ) , )Нормализатор 6 представляет собой микропроцессор - устройство, 30 выполняющее вычислйтельные и логические функции, аналогичные фуннцииЭВМ с программным управлением.