Цифровой частотомер

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51)4 К 2 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУлитехническии ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Авторское свидетельство СССР Р 121417, кл. С 01 К 23/02, 1985,Авторское свидетельство СССР Р 661382, кл, С 01 К 23/02, 1979. (54) ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР57) Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике. Может быть использовано для измерения частоты и периода исследуемого сигнала, Цель изобретения - повышение точности и помехоустойчивости измерения частоты и периода исСледуемых сигналов без увеличения времени измерения и частоты генератора эталонной частоты,Для достижения поотавленной цели вустройство введены блок 3 управления,арифметический блок 6, блок 7 нормировки и индикации, Устройство такжесодержит генератор 1 эталонной частоты, формирователи 2,4 и счетчик 5.В состав блока 3 управления входятР-триггеры 8 и 9, счетчик 1 О формирования весовой функции, счетчик 11управления, ключи 2,14, элемент 13ИЛИ, элементы 15,17,20 задержки,формирователи 16,19 коротких импульсов, одновибратор 18, Арифметическийблок 6 содержит сумматор 21, мульти"плексор 22, регистр 23. Введениеданных блоков в устройство позволяетизменить алгоритм обработки подсчи"тываемых импульсов генератора 1 эталонной частоты и тем самым уменьшить1дисперсию случайной погрешности,2 з.п, ф-лы, 2 ил.129Изобретение относится к электрорадиоиэмерительной технике,и можетбыть использовано для измерения частоты и периода исследуемого сигнала.Цель изобретения - повышение точности и помехоустойчивости измерениячастоты и периода исследуемых сигналов без увеличения времени измерения и частоты генератора эталоннойчастоты,Цель достигается введением в известное устройство блока управленияарифметического блока и блока нормировки и индикации, позволяющих изменить алгоритм обработки подсчитываемых импульсов генератора эталонной частоты и тем самым уменьшить,дисперсию случайной погрешности.На фиг. изображена схема предлагаемого устройства; на фиг,2 а - временная диаграмма обработки сигнала;иа фиг.2 б - весовая функция,Устройство содержит генераторэталонной частоты, соединенный спервым Формирователем 2, выход которого связан с первым входом блока 3управления, второй вход которогосоединен с выходом второго формирователя 4, а первый выход через счетчик5 связан с первым входом арифметического блока 6, выход последнего подключен к первому входу блока 7 нормировки и индикации, при этом второй,третий и четвертый выходы блока управления соединены с соответствующимивходами арифметического блока, пятыйвыход блока управления подключенк вторым входам счетчика и блока нормировки и индикации, Кроме того, всостав блока управления входят Ртриггера 8 и 9, Р-вход первого постоянно подключен к уровню логическойединицы, а информационный вход является вторым входом блока управленияи одновременно через последовательносоединенные счетчик 1 О формированиявесовой функции, счетчик 11 управления и первый ключ 12 подключен кпервому входу элемента ИЛИ 13, второйвход первого ключа 12 соединен с прямым выходом второго триггера 9, Рвход которого связан с прямым выходомпервого триггера 8, а Б-вход последнего подключен к инверсному выходувторого триггера 9 и одновременночерез второй ключ 14 связан с первымвыходом блока управления 3, первыйВход последнего подключен к входу 3664 2синхронизации второго триггера 9 иодновременно через первый элемент задержки 15 к второму входу второгоключа 14, второй выход счетчика 11 5 соединен с входом первого Формирователя 16 коротких импульсов, первый выход которого через второй элемент задержки 17 подключен к третьемувыходу блока управления и одновремен О но связан с вторым входом элементаИЛИ 13, выход которого является вторым выходом блока управления, второйвыход формирователя б подключен ктретьему входу элемента ИЛИ 13 иодновременно через последовательносоединенные одновибратор 18, второйФормирователь 19 коротких импульсови третий элемент задержки 20 связанс пятым выходом блока управления,при этом одновременно выход одновибратора 18 является четвертым выходомблока управления, а выход формирователя 19 соединен с четвертым входом 25элемента ИЛИ 13. При этом арифметический блок б содержит сумматор 21,вход которого соединен с выходоммультиплексора 22, а выход являетсявыходом арифметического блока б иодновременно через регистр 23.под ключен к второму входу мультиплексора 22, первый вход которого является первым входом арифметическогоблока, второй и третий входы последнего соединены соответственно свходами синхронизации сумматора 21и регистра 23, а четвертый входарифметического блока 6 подключенк входу управления мультиплексорами22 и одновременно входу "Единицапереноса" младшего разряда сумматора 21,Устройство рабЬтает следующимобразом,Входной сигнал поступает на формирователь 4, на выходе которогообразуется поток импульсов, соответствующий моментам перехода исследуемого сигнала через нулевой уро 50вень с производной одного знака,Эти импульсы поступают на информационный вход триггера 8 (находящегосякак и триггер 9 в исходном состоянии1 111чО ) и счетныи вход двоичного счетчика 10 (исходное состояние которо 55 иго), так как на Р-входе триггера8 постоянно действует уровень "1",первый же импульс входного сигналаустанавливает триггер 8 в состояние12936которое действует на 0-входетриггера 9, На вход синхронизациитриггера 9 поступают импульсы эталонной частоты от формирователя 2,кОторые одновременно через элемент 5задержки 15 и ключ 14 поступают насчетный вход счетчика 5, Первый жеимпульс эталонной частоты, следующий за поступившим импульсом сигналаот Формирователя 4, переводит триггер 9 в состояние "1", и на инверсном выходе триггера 9 устанавливается уровень "О", который, воздействуя на второй вход ключа 14, запрещающей прохождение импульсов эталонной частоты на счетчик 5, следовательно, первый импульс эталоннойчастоты, проходя через элемент задержки 15 (выполненный, например, на логических элементах, обеспечивающихзадержку на время переключения триггера 9) не поступает на вход счетчика 5. Одновременно уровень "О" синверсного выхода триггера 9, воздействуя на В-вход триггера 8 переводитего в исходное состояние и на Рвходе триггера 9 устанавливаетсяуровень "О", а второй импульс эталонной частоты переводит триггер 9в исходное состояние. На инверсномвыходе триггера 9 устанавливаетсяуровень "1" и последующие импульсыобразцовой частоты (начиная со второго) поступают на вход счетчика 5"О") и обеспечивают измерение первого.периода исследуемого сигнала на .первом этапе измерения и обработки,Исключение по одному импульсу эталонной частоты в каждом измеряемом 40периоде сигнала выполняется эа всевремя измерения, что создает необходимый запас для записи состояниясчетчика 5 через мультиплексор 22 всумматор 21. Недостающее количество 45импульсов эталонной частоты в конечном результате измерения при известном количестве усредняемых периодовучитывается в блоке 7 при нормировкеи дешифрации, После первого измерения первого периода сигнала егочисловой код Инаходится в счетчике5 и с приходом второго импульса отФормирователя 4 вновь триггер 8 переводится в состояние "1", которое по 55очередному импульсу эталонной частотыустанавливается на прямом выходетриггера 9. Импульсы, сформированные 64 4на прямом выходе триггера 9, поступают на вход ключа 12, на другом входе которого действует уровень "1" от триггера младшего разряда двоичного счетчика управления 11 (двухразрядный, а исходное состояние - "О"), считающего импульсы переполнения счетчика 1 О, Емкость счетчика 10 выбирается равной п(3 и после поступления первого импульса сигнала от формирователя 4 он переполняется, и сигнал переполнения переводит .триггер младшего разряда счетчика 11 в состояние "1", которое устанавливается на управляющем входе ключа 12, Второй сигнал переполнения счетчика 10 поступает после. измерения и обработки /3 усредняемых периодов исследуемого сигнала, следовательно, в течение первого этапа измерения на управляющем входе ключа 12 поддерживается уровень "1" и импульсы, Формируемые на прямом выходе триггера 9, после каждого импульса исследуемого сигнала поступают через ключ 12 и элемент ИЛИ 13 на вход синхронизации сумматора 21 и обеспечивают запись состояния счетчика 5 после каждого промежуточного измерения,Второй сигнал переполнения счетчика 10 является сигналом окончания первого этапа измерения и обработки, Триггер младшего разряда счетчика 11 переводится в состояние "О" и ключ 12 будет закрыт на время, равное второй 1/3 части усредняемых периодов сигнала, и импульсы синхронизации не поступают на сумматор 21, Одновременно с триггером младшего разряда счетчика 11 триггер старшего разряда перевоДится в состояние "1" и на первом выходе формирователя 16; выполненного, например, на логических элементах, обеспечивающих выделение фронта и среза, появляется импульс, соответствующий фронту входного сигнала, который через элемент ИЛИ 13 поступает на вход синхронизации сумматора 21 и обеспечивает досуммирование последнего состояния счетчика 5 на первом этапе обработки. Этот же импульс с формирователя 16 через элемент задержки 17 (выполненный, например, на логических элементах, обеспечивающих задержку на время досуммирования) поступает на вход синхронизации регистра 23, и в ре" гистр 23 будет переписано состояние5 сумматора 21 после первого этапа обработки сигнала, Второй этап характеризуется тем, что измерение периодов исследуемого сигнала осуществляется счетчиком 5 беэ записи его состояния в сумматор 21, так как на последний не поступают импульсы синхронизации. Третий этап измерения н обработки начинается после поступления третьего сигнала переполнения О счетчика 10 в счетчик 11. Состояние счетчика 1 будет "11", и ключ 12 открыт для прохождения импульсов синхронизации, следовательно, третий этап обработки по выполняемья опера циям совпадает с первым. После поступления четвертого импульса переполнения счетчика 10 на вход счетчика 11 последний переводится в состояние "00", и на втором выходе формирова О теля 16 появляется импульс, соответствующий срезу. Этот импульс через элемент ИЛИ 13 поступает на вход синхронизации сумматора 21 и обеспечивает досуммирование состояния счет чика 5 после измерения последнего из усредняемых периодов сигнала. Этим же импульсом запускается одновибратор 18, сигнал которого поступает на вход управления мультиплексора 22 30 и одновременно на вход "Единица переноса" младшего разряда сумматора 21, Иультиплексор подключает к входу сумматора инверсные выходы регистраН Каждая строка рассмотренного примера характеризует состояние счетчика50 5, а результат измерения В находится в сумматоре 21. С учетом весовой обработки результатизмерения можно представить в виде алгоритма55 э и2 лЬВ; + ("-+ 1) Е 1,ф3л 4 623 и тем самым будут подготовленынеобходимые сигналы для выполненияоперации вычитания состояния регистра23 из содержимого сумматора 21. Этаоперация выполняется после поступления сигнала синхронизации с выходаформирователя 19, обеспечивающеговыделение среза импульса одновибратора. Одновременно сигнал формирова"теля 19 через элемент задержки 20,выполненный, например, на логическихэлементах, обеспечивающих задержкуна время выполнения операции вычита"ния, поступает на второй вход блока7 для осуществления нормировки идешифрации и второй вход счетчика 5,устанавливая его в состояние "0", иможет быть использован для установкивсего устройства в исходное состояниеВ результате перечисленных операций, выполняемых устройством к концу времени измерения, в сумматоре 21 находится взвешенная сумма усредняемой последовательности измеряемых периодов, В результате трех этапов обработки, соответствующих весовой функции, представленной на фиг.2 б, например, в количестве усредняемых периодов п - "9, в счетчике 5 и сумматоре 21 формируются суммы результатов промежуточных измерений И 1, которые можно представить в виде Ф сумма весовых коэффициентов с 1 равна 113а оценка среднего значения измеряемоФго периода Т равнаср1293664 С -( + 1) 5- дисперсия погрешности квантования при измерении одного периода. Значение погрешности дТ измере(. ср го 10 ния Т по рассматриваемому алгоритму определяется выражением ви- да+ д 2+дыЪ д 2 Зпдп П+ФдМ а асри и2 Е 1+ - (-+1)11 . 3 3 Дисперсия этой погрешности находится по общим правилам исходя из условия независимости и имеет видб =б Ф -- +1причем при и я) 1, б 6,7 бо /и а 6- 860 В, Выигрыш в точно 2 2сти 6 = б /б. в 1,2, т,е, не менее чем 203.С такой эффективностью будут одновременно уменьшены как погрешность квантования без увеличения времени измерения, так и значение шумовой составляющей суммарной погрешности. Формула изобретения 1, Цифровойчастотомер, содержащий последовательно соединенные генератор эталонной частоты и первый формирователь, а также второй формирователь и счетчик, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и помехоустойчивости без увеличения времени измерения, в него введены блок управления, арифметический блок и блок нормировки и индикации, при этом первый вход блока управления соединен с выходом первого формирователя, а второй вход подключен к выходу второго формиропР Т =И 2, 1+-(-+1) Ч, е;3 3Введение дополнительных новых блоков, позволяющих изменить алгоритм обработки импульсов генератора эталонной частоты, подсчитываемых в устройстве, позволяет уменьшить дисперсию погрешности измерения Т на 203, Действительно для выбранно прототипа дисперсия погрешности измерения Травнаиз которого видно, что погрешностичаСтично компенсируются, так какпогрешность начала -го измерения иЗи(2 д 2 ) ф ф 2(д и- дп ) (дп в 1 )- ь -и+э одновременно являетсяпогрешностьюконца (1.-1)-го измерения и имеет другой знак, В результате получается вателя, первый выход блока управления через счетчик подключен к первому входу арифметического блока, а второй, третий и четвертый выходы соединены с соответствующими входами последнего выход арифметического блока подключен к первому входу блока нормировки и индикации, второй вход которого связан с пятым выходом блока управления и вторым входом счетчика.2. Цифровой частотомер по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что арифметический блок содержит сумматор, мультиплексор и регистр, выход мультиплексора соединен с входом сумматора, выход которого является выходом арифметического блока и одновременно через регистр подключен к второму входу мультиплексора, первый вход которого является первым входом арифметического блока, второй и третий входы последнего соединены соответственно с входами синхронизации сумматора и регнстра, а четвертый вход арифметического блока подключен к входу управления мультиплексором и одновременно к входу "Единица переноса" младшего разряда сумматора.3, Цифровой частотомер по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что блок управления содержит два Р-триг-. гера, счетчик формирования весовойСоставитель Ю.МинкинРедактор В.Ковтун Техред А. Кравчук Корректор И.Пожо Тираж 731 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москвар Жр Раушская наб д, 4/5Заказ 382/50 ПРоизводственно-полигРафическое пРедпРиЯтие, г.ужгоРод, Ул,ПРоектнаЯр 4. Функции, счетчик управления, первыйи второй ключи, элемент ИЛИ, первыйрвторой и третий элементы задержкипервый и второй формирователи коротких импульсов и одновибратор, приэтом Э-вход первого триггера постоянно подключен к уровню логическойединицы, а информационный вход черезпоследовательно соединенные счетчикформирования весовой Функции, счетчик управления и первый ключ подключен к первому входу элемента ИЛИи является вторым входом блока управления, второй вход первого ключасоединен с прямым выходом второго 15триггера, 0-вход которого соединенс прямым выходом первого триггера,В-вход которого подключен к инверсному выходу второго триггера и к первому входу второго ключа, выход ко- Иторого является первым выходом блокауправления, вход синхронизации второго триггера через первый элемент задержки подключен к второму входу второго ключа и является первым вхо дом блока управления, второй выход счетчика управления соединен с входом первого формирователя коротких импульсов, первый выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого является вторым выходом блока управления и с входом второго элемента задержки, выход которого является третьим выходом блока управления, второй выход первого формирователя коротких импульсов подключен к третьему входу элемента ИЛИ и через последовательно соединенные одновибратор, второй Формирователь коротких импульсов - к входу третьего элемента задержки, выход которого является пятым выходом блока управления, выход второго формирователя Коротких импуЛьсов соединен с четвертым входом элемента ИЛИ, выход одновибратора является четвертым выходом блока управления,"