Устройство для определения повторяющихся временных интервалов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИяК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 455346 Союз СоветскихСоциалистицескихРеспублик(32) Приоритет -Опубликовано 30,12.74, Бюллетень4 сударственный комитетавета Министров СССРпо делам иэобретенийи открытий 3) х (1 х 6813 51Дата опуоликов гия описания 26.03,75(72) Авторы изобретегп Г. Стругач и Г. П. Заславская Ленинградский ордена Ленинаотехнический институт им, В. И. Ульянова (Ленина) 1) Заявите л(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВТОРЯЮЩИХСЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВИзобретение относится к области импульсной техники, а именно к устройствам для определения повторяющихся временных интервалов и может оыть использовано в тех областях техники, где необходимо измерение повторяющихся интервалов времени или других величин, которые преобразуотся во временной интервал, например, в фазовых измерениях, при измерении электрического напряжения, тока, температуры и т. п.Известны устройства для измерения повторяющихся временных интервалов, основанные иа методе последовательного счета, нониусном стробоскопическом и других методах. Особый интерес представляют устройства, основанные на методе статистических испытаний (методе Монте-Карло), применяющиеся для измерения повторяющихся временных интервалов, преиэуц 1 ественно малой величины.Они содержат генератор случайного потока, логический блок для выявления случаев попадания хотя бы одного случайного импульса на измеряемый интервал, вентили, счетчик числа благоприятных исходов, формирующую схему, схему управления, схему сброса и счетчик числа испытаний. Это устройство отличается от других известных устройств тем, что ие налагает ограничений на характер потока измеряемой информации, имеет больший диапазон измерсшя и ие содержит оыстродействующих узлов.Однако применение двух счетчиков значительной емкости и специальной схемы управ ления, необходимой для жесткой синхронизации работы всех узлов, усложняет устройство и уменьшает его надежность, осооенно при наличии помех.Цель изобретения - повышение надежности 1 О и точности работы устройства,Это достигается путем использования двухлогических блоков для выявления совпадени измеряемых и случайных импульсов и блока измерения разности интенсивиостеи (БИР) 15 случайных импульсных потоков, а в качествегенератора случайного потока (ГСП) используется ГСП с регулируемой интенсивностью (средней частотой).На фиг, 1 приведена блок-схема устройства 20 для измерения повторяющихся временных ингервалов; на фиг. 2 показано вероятностное распределение простейшего импульсного по- гока; на фиг, 3 - временная диаграмма, иллюстрирующая работу устройства.25 Блок-схсэа содержит генератор 1 случайного потока импульсов; источник 2 потока импульсов, длительность которых подлежит измерению; логический блок 3, служащий для выявления случаев отсутствия попадания слу чайных импульсов на измеряемый временнойинтервал; логический блок 4, выявляющий случаи попадания ровно одного импульса на измеряемый интервал; блок 5 измерения разности интенсивностей случайньгх импульсных потоков; 6 - 9 - логические схемы И совпадений; дифференцирующие цепи 10 и 11; логические схемы 12 и 13 запрета; цепи 14 и 15 задержки и триггеры 16, 17 и 18.Генератор случайного потока и источник потока импульсов измеряемой длительности подключены к входам логических блоков 3 и 4, а выходы последних блоков - к входам блока 5 измерения разности интенсивностей.Логический блок 3 содержит схему 6 совпадения, к входам которой подключены генератор 1 и истопшк 2 измеряемых интервалов. Выход схемы 6 через схему 12 запрета связан с одним из входов триггера 16, выходы которого подключены к схеме 12 запрета и к одному из входов схемы 7 совпадения. Выход схемы 7 соединен с первым входом блока 5. К второму входу схемы 7 подключен выход дифференцирующсй цепи 10, который одновременно через цепь 14 задержки, связан с вторым входом триггера 16, а вход схемы 10 подключен к источнику 2 измеряемых интервалов.1( входам схемы 8 совпадения подсоединены генератор 1 и источник 2. Выход схемы 8 чсрсз схему 13 запретя подключен к одному пз входов триггера 7, Выходы которого сосдппены с Входом триггера 18 (Выход которого подключен к второму входу схемы запрета 13) и к одному из Входов схсмы 9 совпадения, Выходом сВ 51 зяииой с Вторыъ Входом б.Ок 1,), К Втором) Вход схемы 9 подкл 0 си Выход дифферсццирующс й цепи 11, который одновременно через цепь 15 задержки юдключси к вторым входам триперов 17 и 18, Я Вход схемы 11 подклк)чсп к источнику 2,Принцип действия устройства основан на следующих математических соотношениях,Предполагают, что случайный импульсный поток, создаваемый генератором 1, являстся стационарным простейшим (пуассоцовским) потоком. Сся такого потока вероятность по. П 11 ДЯПИ 51 РОВИО П. ИМПУЛЬС)В ЭТОГО ПОТОКЯ ПЯ пекоторыи заданный ипсрвял врсСни опре.делястся соотношением гдепг=0,1,2,3,;) - плотность (интенсивность, средняя частота) простейшего стационарного потока. Интервал временив выражении (1) полагают равным измеряемому временному интервалу.Для цяГл 51 дпостп па фиг, 2 показан График зависимости Рпг -. =- /(:,-.) в соотвстст вци с выражением (1), где / - вероятность попадания ровно пг случайных импульсов на измеряемый интервал времени (т (и =- 0,1,2, 3);- средняя частота случайного потока;- измеряемый интервал.На графике наблюдается следующая закономерность: точки пересечения смежных кри-.вых (соответствующих смежным значениям пг) соответствуют целым значениям аргумента ),-., причем точке пересечения некоторой произвольной /г-й кривой с (/г - 1) кривой (иначе- точке равенства вероятностей Р, и Р, 1соответствует значение ),-. = /г(А = 1, 2,) 3, ),Исходя из выражения (1), для пг = /г ипг = /г - 1 получают:0;) -)- Р =е; (2)= 1, ),-. = /г. (4)На основе этого может быть осуществленоизмерение временного интервала. Полагая 25 значение -. в выражениях (2), (3) и (4) фиксированным и равным измеряемой величине,путем регулирования интенсивности случайноГО потока ). досшваются равенства выражений (2) и (3)30К, =Р (5)/1 л 1 е находят искомый временной интер 1 Я,- (/г = 1, 2, 3, ) (6)Д 51 построения измерительного устройствамо)кет Оыть использован более общий принцип рявсштвд произвольной пары вероятностец р и р (/ ъ 1; /г: /), например ро-,10,),и /)-., р - и рз - и т и Это видно из фиг. 2: лк)бая кривая пересекается не только со смеж.ной, цо и со всеми другими кривыми семейства, и точкам пересечения однозначно соответствуют вполне определенные значения аргумента ),-., я следовательно и в . Анализ покязял, то В дяппом случае х 10 жио повнсить тоность измсрспия. Одц 1 со с ТО 1 ки зрени 51 простоты тсхппчессо реализации целесообразное использовать случай смежных всроятцостси р, и /)Поскольку невозможно привести схемуустройства для произвольного значения пара.метра /г, сохранив достаточную ясность и кон- бБ кретцость, приведена схема, соответствующая/г .=. 1. Схема работает следующим ооразом.11 а Входы логи есих блоков 3 и 4 от генератораподается стационарный простейппй случайный поток коротких импульсов (- 60 ихпульсов). В генераторе 1 предусмотренавозможность плавной регулировки интенсивности). потока. На другие входы блоков 3 и 4 от источника 2 поступает поток прямоугольных ихшульсов, длительность которых -, под- ББ лежит измерению (в зависимости от конкрет.ной схемной реализации этот поток может быть представлен иеюсредственио измеряемы)ми Времеинь м 1 инте) Валями, зядяВаемы ми короткими импульса.,:и).На фиг, 3 приведена временная диаграмма р 11 бл ы устройства, где:l - сигнал ня Выходе генератора случдйюго потока;с 2 - импульсы изме,яемой длительности; /з - сигнал на выходе логическогоблока 4; С/4 - сигнал на выходе логического блока 3. Поток С/г может быть произвольно регулярным или случайным, причем требование его стационарности не является обязательньв. Пусть средняя интенсивность этого потока равна ,и. Если за время действия очередности измеряемого импульса потока с)2 нд вход блока 3 не поступает ни одного случайного импульса потока сl от генератора 1 (есл 1 на измеряемый интервал не попадает ии одного случайного импульса), то по окончании этого интервала на выходе блока 3 возникает импульс. Блок 4 формирует импульсы на своем выходе в тех случаях, когда на измеряемьш интервал попадает ровно один случайньш импульс. Блок 3 работает следующим образом (о = 0),Поток импульсов от генератора 1 поступает на вход схемы 6 совпадений, а на другой ее вход от источника 2 подается поток импульсов измеряемой длительности, Если зя время очередного измеряемого импульса не пришло ни одного импульса от генератора 1, на выходах схем 6 и 12 сипала не возникает, и триггер 16 остается в исходном состоянии, при этом высокий потенциал (1) его правого плеча присутствует на входе схемы 7 в течение всего времени действия измеряемого интервала. В момент окончания последнего диффереицирующая цепь 1 О формирует импульс, который поступает па второй вход схемы совпадения 7; поскольку на ее первом входе присутствует 1, на выходе схемы 7, т, е. на вьходе всего блока 3, возникает сигнал, свидетельствующий о том, что на данный временной интервал не попало ни одного случайного импульса.Если в течение действия измеряемого интервала с генератора 1 приходит один (первьй) импульс, на выходе схемы 6 возникает игндл, проходящий через юрмдльно открытую схему 12 запретя нд вход трнггерд 16 и приводящий его в другое устойчивое состояние. При этом потенциал на его правом плече и иа входе схемы 7 становится низким (0), и импульс, постунаощий с диффереицнрующей цепи 10 на второй вход схемы 7 в момент окончания измеряемого интервала, не проходит на выход схемы 7 (и всего блока 3).В момент перехода триггера 16 в другое устойчивое состояние высокий потенциал с левого плеча поступает на второй вход схемы 12 запрета, что исключает возможность прохождения сипялов на вход счетчика триггера 16 в том случае, если на измеряемый интервал 5 О 15 20 30 355 1 И 4,э В(.) дд 60 65 попадает больше одного имнульсд от генератора 1. Задний фронт измеряемого импульса с выхода схемы 10 через цепь 14 задержки устанавливает триггер 16 в исходное состояние, подГОт 1 ВлиВяя схе)1) 0;10 кд 3 к нрихо су слссд- ющего измеряемого импульса (схехд задержки необходима для того, чтобы исключить возможность исчезювения информации о состоянии триггера в момент окончания измеряемого импульса).Работа блока 4 происходит следующим образом (п 1 = 1).Структура блокаи логика его работы аналогичны блоку 3. Отличие состоит в добавлении еще одного триггера 18который вместе с первым триггером 17 образует двухразрядный счетчик) и соответствующем изменении некоторых связей между элементами. Если за время действия измеряемого интервала на входе схемы 8 совпадения на второй ее вход не приходит ни одного импульса от генератора 1, нд выходе схемы 8 сигналя не возникает, и счетчик остается в исходном состоянии. При этом низкий потенциал (О) с левого нле 1 и триггера 17 присутствует нд входе схемы 9 в течение всего времени измеряемого интервала, Вследствие этого задний фронт импульса измеряемой длительности, которьш поступает с выхода дифферснцирующей цепи 11 ид второй вхс)д схемы 9 не ироходгт на выход схемы 9 (Выход всего блока 4).Если за измеряемый интервал приходит один (нерв.и 1) случайный импульс, ия п 1 ходе схемы 8 возникнет сипдл, который ностунде через открытую схему 13 нд вход триггера 17 и переводит его в другое устойчивое состояние. При этом высокий ц)теициял, возникший на левом плече триггера 17, подается на вход схемы 9, что позволяет заднему фронту измеряемого импульса пройти на вьх)д схемы 9,В случае, когда за время рассматриваемого измеряемого импульсаинтерв)ла) приходит второй импульс от генераторд 1, на выходе схемы 8 появляется второй импульс, который, пройдя через схему 13, переводит триггер 17 в исходное состояние, д триггер 18 - в новое со. стояние (в счетчике фиксируется число 2), Прн этом на левом плече триггера 17 (нд входе схемы 9) вновь возникает иизкни нотеици- ЯЛ, ЧГО ИСКЛ 10 ЧЯЕ Г ВОЗМОжп)с"Ь П 0518,1 ЕИНЯ СИГ. ия:д ня выхос б.ок;1 4 по окон 1;Вии нзхср 51- емого интервала.Одновременно высокий ногешидл с левогс плеча триггера 18 поступяе ня второй (заире. щающнй) вход схемы 13, и прохождение импульсов с выхода схемы 8 и счетчик невоз. можно в том случае, если в течение измеряс. МОГО интерВЯ;1 я с Генер 1 торя 1 постмняет тре. тий, четвертый и т, д. импульсы.Цепь 15 и связи, обеспечивающие сорос счетчика, 1 руикционируот также, кдк и в блоке 3.В общем случае (для произвольного и 1=/г) схема,10 ГическОГО О,1 Ок 1;Олжид содержать счетчик емкостью Л = /; + 1, дешифратор(10) кода, разрешающий прохождение импульса иа Бьход, если в счетике зяписяио /Г и. п льсов, и схему запретя, блокирующую вход счетика, если в ием фиксируется /г+ 1 импульс.Таким образом, па выходах блоков 3 и 4 образуются импульсные потоки, случайные по моментам появления импульсов (фиг, 3).Средиие интенсивности этих потоков составляОт где )з - средняя интенсивность погока пявыходе блока 3;)4 - средняя интенсивность потока иавыходе блока 4;). - средняя интенсивность потока измеряемых импульсов. Ро,-. - Р,л - вероятность попадания соответст.венно 0 и 1 случайного импульсапа измеряемый интервал,В 01 нтая выражеиие (8) из выражения (7 получают:)иИз формулы (10) следует, что разность рассматриваемых вероятностей Р и Р пропорциональна разности средних иптепсивностей ).з и )4 потоков па выходах логических блоков 3 и 4. ОтсОда вытекает, что условие равенства вероятностей (5) выполняется в том случяе, когда стяиовится рав 10 й пулю разность интепсивюстей), -- ), - ;. 0 (11) разность интенсивностей фиксируется с помощью олока 5. Плавно регулируя величину интенсивности ).потока от генератора 1, подбира 1 от такое зиачеиис )при котором блОк 5 фиксирует равенство иитепспвгостей (11) потоков иа выходах блоков 3 и 4. При этом выполняются соотпопегия (4) и (5), и величина измеряемого иитервала времени иаходКгся в соответствии с формулой (6) из выракенияШкала генератора может быть отградуироваиа в единицах ), либо непосредственно в единицах измеряемой величины вКак следует из выражения (6), значение й может быть выорапо равным сиобому натуральному числу (кроме /г = О). Конкретное значение / определяется порядком измеряемой величины и возможными пределами регулирования интенсивности ), потока от генератора 1. Поскольку предлагаемое устройство наиболее эффективю при измерении малых временных интервалов, пецелесоооразпо выбирать слишком большие значения /:, так как это требует увеличе 10 15 20 Я 30 35 40 45 00 ь;) 00 05 иия иптепсивпоси )., Кроме того, увеличеиие /г усложняет структуру логических блоков 3 и 4.В качестве блока измерения разности интепсивюстей 5 в устройстве целесообразио использовать схему, достоинством которой является независимость погрешности измерепия от величины измеряемой разности интенсивностей. Это особенно важно для данного устройства, где требуется ие измерять разность вообще, а оценивать малые отклонения этой разности от нуля.Условием уравновешивания устройства (равества соответствующих вероятностей и иптенсивиостей) является соотиошепие (4), Это выра)кение не содержит ). - интенсивности потока измеряемых времепиых интервалов. Отсюда следует важный практический ввод, что эта интенсивность может быть непостоянной, т, е, поток, задающий измеряемые интервалы, может быть пестационариым. В частном случае, когда этот поток является регулярным (что практически часто имеет место), к стабильности частоты . = /) потока нс предъявляется жестких требований. Следует обеспечить только достаточно большое значение интенсивности ) поскольку последняя, как это видно из выра)кения (9), определяет чувствительность работы устройства; чем больше ) тем больше разность интенсивностей иа воде б,Ока 5, вызваппая здаииой рязн)стью вероятиостей.Из принципа работы предлагаемого уст. ройства следует, что время измерения ие является жестко фиксированиьо 1, как это имеет место в известном устройстве. НеобходихОе среднее время измерения, обеспечивающее точность, определяется выбором интенсивно. сти ).и постоянной времени блока 5. В устройстве отсутствуОт элементы, обеспечивающис жесткую синхронизацию его работы устройства (схема управления, вентили, счетчик числа испытаний и т. и,), иеобходимые в прототипе,Преимуществом устройства является также уменьшеиие требований к стабильности интенсивности случайного потока от генератора 1. Постояпство ). должно быть обеспечено лишь на время измерения, которос при измерении малых интервалов достаточно мало (может не превышать 0,1 - 1 сек). Таким образом, простейший поток от генератора 1 дол)кеп быть стациоиарным лишь па ограниченных интервалах времени. Это существенно упрощает конструкцию генератора, Кроме того. для предлагаемого устройства характерна независимость методическо погрешности измерения от величины измеряемого иптервала времеии.Эти преимуцества устройства достигаются ие за счет усложнения конструкции, а в результате иного принципа построения, позволяющего существенно упростить коиструкцшо устройства.Как показали исследования, устройство обладает достаточно высокими метрологически; 1 ми характеристиками. Так, измерение временных интервалов в диапазоне -. = 1,1 - 10 мксек может быть выполнено с относительной погрешностью о-. = 0,5% (надежность, = = 96,0%), при этом время измерения в указанном диапазоне изменения интервалов составляет 1, = 00,6 - 6 сек (при условии, что скважность измеряемого потока Я = 2), а интенсивность случайного потока регулируется в пределах , = 10 - 10 1/сек,Предмет изобретенияУстройство для определения повторяющихся временных интервалов, содержащее генератор случайного потока импульсов, логический блок, источник потока измеряемых интервалов, от,гичаюиееся тем, что, с целью повыше.ния надежности и точности работы устройст.5 ва, оно содержит блок измерения разностиинтенсивностей и дополнительный логический блок, первый вход которого подключен к ис.точнику потока измеряемых интервалов и к первому входу логического блока, второй вход О которого соединен с генератором случайногопотока и с вторым входом дополнительного логического блока, выходы логических блоков подключены к олоку измерения разности интенсивностси,ПодписиССР Заказ 857ЦНИИПРлэ ОФ Изд.1013 Тираж 624 сударственного комитета Совета Минис по делам изобретений и открытий Москва, Ж, Раушская наб д. 4/б