Устройство для цифрового измерения частоты

(51)5 0 01 В 23/02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 28 Бюл. вский , Кор никовычев и88.8) й институ авиацищялеваА, Н,А, И. М но кулов 0 (56) Авторское с М 532823, кл. 6Авторское с М 930144, кл. С идетельство СССР01 В 23/00, 1976,идетельство СССР01 й 23/02. 1982,(54) УСТР МЕРЕНИ СТВО ДЛЯ ЦАСТОТЫ В ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение может быть использовано в быстродействующих измерителях частоты электрических сигналов, Устройство содержит входной формирователь 1, генератор 2 пилообразного напряжения, пиковый детектор 3, управляемый генератор 4, первый и второй триггеры 5,6, ключ 7, первуюдифференцирующую цепь 9, Введение дополнительно компаратора 10, дешифратора 14, двухпозиционного переключателя 13, счетчика 17 импульсов, регистра 18 памяти, второй дифференцирующей цепи 16, источника 11 опорного напряжения, делителя 12 напряжения, логического ключа 15 и шины 21 масштаба позволяет повысить точность и расширить диапазон измеряемых частот, 3 з. п, ф-лы, 8 ил,Составитель Е.Соловьеведактор Т,Лошкарева Техред М,Моргентал Коррект Гирня каз 2519 Тираж 425 Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в машиностроении для измерения, например, частот вращения валов турбин, тепловых и электродвигателей и т, д.Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измеряемых частот.На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства для цифрового измерения частоты; на фиг, 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 - 7 представлены функциональные схемы блоков. соответственно, управляемого одновибратора, логического ключа, генератора тока, пикового детектора, импульсного генератора опорной частоты; на фиг, 8 приведены временные диаграммы работы управляемого одновибратора.Устройство для цифрового измерения частоты (фиг. 1) содержит входной формироьатель 1,генератор 2 пилообразного напряжения, пиковый детектор 3, управляемый генератор 4, первый и второй триггеры 5, 6, ключ 7, импульсный генератор 8 опорной частоты, первую дифференцирующую цепь 9, компаратор 10, источник 11 опорного напряжения, делитель 12 напряжения, двух- позиционный переключатель 13, дешифратор 14, логический ключ 15, вторую дифференцирующую цепь 16, счетчик ",7 импульсов, регистр 18 памяти, входнуо шину 19, выходную шину 20, шину 21 масштаба, соединенную с выходом источника 11 опорного напряжения, с выходом делителя 12 напряжения и с вторым входом компаратора 10,соединенного своим первым входом с первым входом пикового детектора 3 и с выходом генератора 2 пилообразного напряжения, первый вход запуска которого соединен с первым динамическим Я-входом установки первого триггера 5 и с выходом входного формирователя 1, вход которого соединен с входной шиной 19. Выход дешифратора 14 соединен с управляющим входом двухпозиционного переключателя 13. Компаратор 10 соединен своим выходом с вторым управляющим входом генератора 2 пилообразного напряжения и с первым входом импульсного генератора 8 опорной частоты, второй вход которого соединен с третьим входом управления режимом слежения пикового детектора 3, с вторыми управляющими входами регистра 18 памяти и логического ключа 15, а также с инвертирующим выходом первого триггера 5, второй К-вход сброса которого соединен с выходом дифференцирующей цепи 9, Неинвертирующий выход первого триггера 5 соединен с 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 первым установочным входом второго триггера 6 и с входом дифференцирующей цепи 16, связанной своим выходом с вторым входом сброса счетчика 17 импульсов, первый счетный вход которого соединен через ключ 7 с первым выходом импульсного генератора 8 опорной частоты, второй выход которого выполнен многоканальным и соединен через логический ключ 15 с цифровым многоканальным входом дешифратора 14 и с четвертым многоканальным управляющим входом генератора 2 пилообразного напряжения, соединенного своим третьим управляющим входом с выходом двухпозиционного переключателя 13, первый и второй информационные входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами делителя 12 напряжения, Выход пикового детектора 3 соединен с входом управляемого генератора 4, соединенного своим выходом со счетным входом второго триггера 6, выход которого соединен с входом дифференцирующей цепи 9 и с управляющим входом ключа 7, выполненным инверсным. Выход счетчика 17 импульсов соединен с первым цифровым информационным входом регистра 18 памяти, выход которого соединен с выходной шиной 20.Генератор 2 пилообразного напряжения (фиг, 1) содержит генератор 22 тока с многоканальным управляющим входом, двухпозиционный переключатель 23, эталонный конденсатор 24, элемент И 25, элемент 26 задержки,преобразователь 27 кода, управляемый одновибратор 28, элемент ИЛИ 29,Первый вход управляемого одновибратора 28 соединен с выходом элемента ИЛИ 29, первый и второй входы которого являются соответственно первым входом запуска и вторым входом генератора 2 пилообразного напряжения, третьим входом которого является первый информационный вход двухпозиционного переключателя 23, второй информационный вход которого соединен с выходом генератора 22 тока, выходом генератора 2 пилообразного напряжения является первый вывод эталонного конденсатора 24, соединенный с выходом двухпозиционного переключателя 23, соединенного своим управляющим входом с выходом элемента И 25, первый вход которого соединен с выходом управляемого одновибратора 28 и с входом элемента 26 задержки, соединенного своим выходом с вторым входом элемента И 25, второй многоканальный управляющий вход управляемого одновибратора 28 соединен с вторым выходом преобразователя 27 кода, первый выход которого соединен с управляющиммногоканальным входом генератора 22 тока, вход преобразователя 27 кода является четвертым многоканальным входом генератора 2 пилообразного напряжения, а второй вывод эталонного конденсатора 24 соединен с шиной нулевого потенциала.Управляемый одновибратор 28 содержит (фиг, 3) ключи 30, 31, кодоуправляемое сопротивление 32, компаратор 33, источник 34 опорных напряжений, О-триггер 35, генератор 36 логической "1", операционный усилитель 37, конденсатор 38Неинвертирующий выход триггера 35 соединен с управляющим входом первого ключа 30 и является выходом управляемого одновибратора 28, первым входом которого является С-вход синхронизации триггера 35, инвертирующий выход которого соединен с управляющим входом второго ключа 31, соединенного своим информационным входом с выходол кодоуправляемого сопротивления 32, с первым выводом конденсатора 38 и с инвертирующим входом операционного усилителя 37, выход которого подк лючен к выходу второго ключа 31, к второму выводу конденсатора 38 и к первому входу компаратора 33, соединенного своими выходом и вторым входом соответственно с первым В-входом сброса триггера 35 и с первым выходом источника 34 опорных напряжений, второй выход которого соединен через первый ключ 30 с первым аналоговым входом кодоуправляемого сопротивления 32, цифровой управляющий вход которого является вторым многоканальным управляющим входом управляемого одновибратора 28, третий выход источника 34 опорных напряжений соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 37 и с шиной нулевого потенциала, а третий информационный 0- вход триггера 35 соединен с выходом генератора 36 логической "1",Генератор 22 тока содержит (фиг, 5) кодоуправляемое сопротивление 39, первый и второй резисторы 40 и 41, транзистор 42, диод 43, соединенный своим катодом с базой транзистора 42 и через резистор 41 - с шиной нулевого потенциала, Коллектор транзистора 42 является выходом генератора 22 тока, многоканальным управляющим входом которого является цифровой управляющий вход кодоуправлявлого сопротивления 39, включенного лежду эмиттером транзистора 42 и выходом источника 44 питания, соединенным через резистор 40 с анодом диода 43.Пиковый детектор 3 выполнен с возможностью управления режимом отслеживания (слежения) его входного напряжения10 выходным и содержит (фиг. 6) конденсатор 45 и двунаправленный ключ 46, управляющий вход которого является входом управления режимом слежения пиковогодетектора 3, первым информационным входом которого является вход ключа 46, выходкоторого соединен с первым выводом конденсатора 45 и является выходом пикового детектора 3, а второй вывод конденсатора45 связан с шиной нулевого потенциала.Импульсный генератор 8 опорной частоты содержит(фиг. 7) счетчик 47 импульсов,мультиплексор 48, генератор 49 импульсов,и делителей частоты импульсов 50 - 1-;50 - й.15 Логический ключ 15 содержит (фиг. 4)элементов И 51-1-.51-1, первые входы которых в совокупности образуют информационный многоканальный первый вход логического ключа 15, многоканальный выход 20 которого образуют в совокупности выходыэлементов И 51 - 1 - .51 - 1, вторые входы которых соединены вместе и образуют второй управляющий вход логического ключа 15.В импульсном генераторе 8 опорной ча стоты (фиг, 7) первый счетный вход счетчика47 импульсов является первым управляющим входом импульсного генератора 8 опорной частоты, вторым управляющим входом которого является второй вход уста новки в нулевое состояние счетчика 47 импульсов, многоканальный выход которого соединен с управляющим многоканальным входом мультиплексора 48 и является вторым многоканальным выходом импульсного 35 генератора 8 опорной частоты, первым выходом которого является выход мультиплексора 48, выход генератора 49 импульсов связан с первым информационным входом мультиплексора 48, остальные и информа ционных входов которого соединены с выходами соответствующих делителей 50-1-;50-и частоты, соединенных в последовательную цепь, а вход первого делителя 50-1 частоты соединен с выходом генерато ра 49 импульсов.Устройство работает следующим образомИлпульсы 019 измеряемой частоты свходной шины 19 (фиг. 2 а), поступая в мо мент времени 11 на первый вход формирователя 1, вызывают появление импульса 01 (фиг, 26), который устанавливает первый триггер 5. Установившаяся логическая "1" на его прямом выходе через дифференци рующую цепь 16 сбрасывает счетчик 17импульсов и поступает на первый установочный вход второго триггера б. Так как первый вход второго триггера б выполнен инверсным, то появившаяся логическая "1" на его первом входе снимает условие егоlБо -то 40 45 50 55 принудительной установки в состояние логической "1", делая таким образом второй триггер 6 чувствительным к импульсам на его втором счетном входе, поступающим с выхода управляемого генератора 4, частота следования которых пропорциональна напряжению, поступающему на вход упраоляемого генератора 4 с выхода пикового детектора 3. Первый иэ импульсов генератора 4 после момента 11, снятия условия принудительной установки второго триггера б по его первому входу, в момент времени 12 приводит к установлению второго триггера б в состояние логического "0". а второй возвращает его в исходное состояние логической "1" в момент времени 1 а, при этом импульс Оэ положительной полярности с выхода дифференцирующей цепи 9, поступая в момент времени та на второй вход первого триггера 5, сбрасывает его в исходное состояние и установившийся на его неинвертирующем выходе уровень логического "0" принудительно удерживает выходной уровень второго триггера 6 в состоянии логической "1", Таким обраэом, на выходе второго триггера б формируется одиночный импульс уровня логического "0", длительность которого равна одному периоду импульсной последовательности управляемого генератора 4, находящегося под управляющим воздействием напряжения, запомненного пиковым детектором 3, хранящим напряжение, достигнутое на выходе генератора 2 пилообразного напряжения к моменту времени т,Так как выход триггера б подключен к управляющему входу ключа 7, выполненному инверсным, то на время т 2 ла действия импульса второго триггера б ключ 7 замкнут и импульсы генератора 8 поступают на первый тактовый вход счетчика 17. Количество импульсов, прошедших на счетчик 17 импульсов за время 12 ла, образует код, который поступает на первый информационный вход регистра 18 памяти. По окончании импульса (в момент та) второго триггера б ключ 7 размыкается и кодовое состояние счетчика 17 импульсов сохраняется до появления очередного импульса измеряемой последовательности, поступающей на входную шину 19 устройства. Так как второй управляющий вход регистра 18 памяти соединен с инверсным выходом первого триггера 5, то на время действия 11,.ла импульса на его выходе регистр 18 памяти сохраняет состояние, предшествующее моменту т, которое в моменты времени 1 гса не зависит от изменяющегося кода, поступающего на его первый информационный вход, После установления на втором входе регистра 18 памя 5 10 15 20 25 30 35 ти уровня логической "1" на его выход, а следовательно, и на выходную шину 20, передается новый код счетчика 17, который установится на выходе этого счетчика после окончания счета им импульса в последующие за та моменты времени, Кроме того, по окончании импульса первого триггера 5 импульсный генератор, который выполнен управляемым, сбрасывается в исходное состояние, а на время действия этого импульса на выходах логического ключа 15 устанавливаются уровни логической "1" независимо от кодовой комбинации, поступающей на первый информационный вход логического ключа 15 с второго выхода импульсного генератора 8. При этом дешифратор 14 для нулевого кода на его входе формирует сигнал управления, устанавливающий двухпоэиционный переключатель 13 в исходное положение, при котором его выход скоммутироваи с его первым входом, что приводит к установлению на третьем входе генератора 2 пилообразного напряжения уровня постоянного напряженияЧ 1, поступающего с первого выхода делителя 12 напряжения, под действием которого формируется исходное напряжение Ч на выходе генератора 2 пилообразного напряжения в течение времени ть,лз (фиг. 2 д),После момента времени 1 з генератор 2 пилообразного напряжения формирует на своем выходе линейно изменяющееся напряжение, причем крутизна изменения этого напряжения 5, уровень исходного напряжения Ч и интервал времени т= тз-т должны быть связаны соотношением Через некоторое время, если импульсы Ои входной последовательности отсутствуют в некоторый момент т 5, напряжение на выходе генератора 2 пилообразного напряжения достигает уровня напряжения Ооп источника 11 опорного напряжения, при этом компаратор 10 формирует на своем выходе сигнал, который, поступая на второй вход генератора 2 пилообразного напряжения, приводит к установлению на выходе последнего напряжения, равного величине нового исходного уровня. Этот новый исходный уровень задается уровнем напряжения, поступающего на третий вход генератора 2 пилообразного напряжения с выхода двухпозиционного переключателя 13, который будет скоммутирован со своим вторым входом, на который поступает напряжение Ч 2 с второго выхода делителя 12 напряжения, превышающее половину/Подставляя 1 м в выражение для Ог(т 1) иучитывая, что Чг- -+ Л Ч и 31 - Я 2 для Ог(11),2фполучаем 25Ог(1)- - + Л Ч+(т-о) Я - -ЛЧ=Ооп г, Ооп2 2 Так как интервал Т между импульсами входной последовательности определяетсят. е, напряжение Ог на выходе генератора 2 пилообразного напряжения в момент времени 6 прихода очередного импульса измеряемой последоддтаплности пропорционально период Т с коэффициентом масштаба 51 = Яо 2, при этом- номер поддиапазона, он определяет и частоту Гн импульсного генератора 8 (фиг. 2 с)45Напряжение Оз=Ог(11) с выхода пикового детектора 3, поступая на вход управляемого генератора 4 задает ео частоту где а- коэффициент пропорциональности.В течение времени импульса второго триг. гера длительностьк), равной одному периоду Ти импульсной последовательности управлл мого генерагора 4, перс:з ключ 1 нл вход с:ч .г чика 11 импу,сод пройдег и импргьсод Рогде Р - - - - постоянный коэффициент. а ао На выходе счетчика 11 импульсов после момента Ъ(ц) будет сформирован код, пропорциональный частоте Гвх входной последовательности. Формула изобретения 1. Устройство для цифрового измерения частоты по авт. св. М 930144, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измеряемых частот, в него введены компаратор,дешифратор, двухпозиционный переключатель, счетчик импульсов, регистр памяти, вторая дифференцирующая цепь, источник опорного напряжения, делитель напряжения, логический ключ и шина масштаба, многоканальный выход импульсного генератора опорной частоты соединен с многоканальным информационным входом логического ключа, выход которого соединен с входом дешифратора и с четвертым многоканальным входом генератора пилообразного напряжения, второй управляющий вход которого соединен с первым управляющим входом импульсного генератора опорной частоты и с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходомгенератора пилообразного напряжения, вТорой вход комларатера: подключен к выходу источника опорного напряжения, к, юине масштаба и к входу делителя напряжения, первый и второй входы которого соединены соответственно с перзым нормально замкнутым и вторым нормально разомкнутым входами двухпозиционного переключателя, выход и третий управляющий вход которого соответственно соединены с третьим управляющим входом генератора пилообраэногО напряжения и с выходом дешифратора, второй управляющий вход импульсного генератора опорной частоты соединен с входом управления режимом слежения пикового детектора, с вторыми управляющими входами регистра памяти и логического ключа, а также с инвертирующим выходом первого триггера, неинвертирующий выход которого соединен с входом второй дифференцирующей цепи, выход которой подключен к второму входу сброса счетчика импульсов, первый тактовый вход и многоканальныйвыход которого соединены соответственно с выходом ключа и с первым многоканальным информационным входом регистра памяти, выход которого соединен с выходной шиной устройства,2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что генератор пилообразного напряжения содержит генератор тока, эталонный конденсатор, двухпозиционный переключатель, преобразователь кода, элемент ИЛИ, элемент И, элемент задержки и управляемый одновибратор, первый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, первый и второй входы которого являются соответственно первым входом запуска и вторым входом генератора пилообразного напряжения, третьим входом которого яеляатся первый информационный вход двухпозиционного переключателя, второй информационный вход которого соединен с выходом генератора тока, управляющий многоканальный вход которого является четвертым многоканальным входом генератора пилообразного напряжения, выходом которого; ляется первый выеод эталонного конденсатора и который соединен с выходом двух позиционного переключателя, управляющий вход которого соединен с выходом элемента И, переый вход которого соединен с выходом управляемого одновибратора и с входом элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента И, второй многоканальный управ- ляющий вход управляемого одновибратора соединен с вторым выходом преобразователя кода, первый выход которого соединен с управляющим многоканальным входом генератора тока, вход преобразователя кода является четвертым многоканальным входом генератора пилообразного напряжения, а второй вывод эталонного конденсатора соединен с шиной нулевого потенциала.3. Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что импульсный генератор опорной частоты содержит мультиплексор, генератор импульсов, й делителей частоты и счетчик импульсов, первый счетный вход которого является первым управляющим входом импульсного генератора опорной частоты, вторым управляющим входом кото 10 15 20 25 30 35 40 45 50 рого является второй вход усановки в нулевое состояние счетчика импульсов, многоканальный выход которого соединен с управляющим многоканальным входом мультиплексора и является вторым многоканальным выходом импульсного генератора опорной частоты, первым выходом ко дорого является выход мультиплексора, выход генератора импульсов соединен с первым информационным входом мультиплексора, остальные и информационных входов которого соединены с выходами соответствующих делителей частоты, соединенных последовательно, а вход первоо делителя частоты соединен с выходом генератора импульсов.4, Устройство по и, 2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что управляемый одновибраор содержит операционный усилитель, конденсатор, два ключа, кодоупрэеляемое сопротивление, компаратор, источник опорных напряжений, генератор логической "1", триггер, неинвертирующий выход которого соединен с управляющим входом первого ключа и является выходом управляемого одновибратора, первым входом которого является С-еход синхронизации триггера, инеертирующий выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, информационный вход которого соединен с выходом кодоупраеляемого сопротивления, с первым выводом конденсатора и с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с выходом второго ключа, с вторы выводом конденсатора и с первым входом компаратора, выход и второй вход которого соответственно соединены с первым К-входом сброса триггера и с первым выходом источника опорных на. пряжений, второй выход которого соединен через первый ключ с первым аналоговым входом кодоуправляемого сопротивления, цифровой управляющий вход которого является вторым многоканальным управляющим входом управляемого одновибрагора, третий выход источника опорных напряжений соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и с шиной нулевого потенциала, а третий информационный О-вход триггера соединен с выходом генератора логической "1".