Цифровой фазометр-частотомер

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 1 К 25/00 23/00 ИСА ЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМ ДЕТЕЛЬСТВУ ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) Авторское свидетельство СССР658496, кл. С 01 В. 25/00, 1979.Авторское свидетельство СССР В 110057 Д., кл. С 01 К 23/00, 1982. (54) ЦИФРОВОЙ ФАЗОМЕТР- ЧАСТОТОМЕР (57) Изобретение може быть использовано при создании комбинированных измерительных приборов и функциональных преобразователей. Цель иэоб ретения - расширение функциональных воэможностей устройства. Цифровой частотомер содержит накапливающий 801265644 А сумматор 1, включающий сумМатор 2 ирегистр 3, а также сумматор 8, регистры 10 и 15 и генератор 11 тактовой частоты. Введение накапливающегосумматора 4, состоящего из сумматора5 и регистра 6, блока 7 инверторов,формирователя 9, элемента 12 эапретаи триггеров 13 и 14 с образованиемновых связей между элементами устройства позволяет последнему измерятьодновременно фазу, частоту и скоростьизменения частоты сигнала. Это позволяет в системах, где информационный параметр содержится в фазе периодического сигнала, измерять одновременно значения самого параметраи его первых двух производных. 3 ил.1265644 35 40 45 50 Изобретение относится к информационно-преобразовательной и измерительной технике и может быть использовано при создании комбинированных измерительных приборов и функциональных преобразователей для одновременного измерения частоты, сдвига фазы и скоростиизмерения частоты периодических сигналов.Цель изобретения - расширение 10 функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности измерения изменений по частоте и фазе.На фиг. 1 приведена функцио-, 15 нальная схема предлагаемого цифрового,фазометра-частотомера; нафиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу в установившемсярежиме; на фиг. 3 - то же, в пере ходном режиме.Цифровой фазометр-частотомерсодержит накапливающий сумматор (НС) 1, в состав которого входят замкнутые в кольцо сумматор 2 и ре гистр 3, НС 4, в состав которого входят замкнутые в кольцо сумматор 5 и регистр 6, блок .7 инверторов, сумматор 8, формирователь 9, регистр 10 генератор 11 тактовой частоты, эле- ЗО мент 12 запрета, триггеры 13 и 14 и регистр 15; При этом соединены в кольцо НСи 4, блок 7 инверторов и сумматор 8,второй вход которого подключен к шине константы И , информационные входы триггеров 13 и 14 подключейы кисточникам измеряемого 0 и опорногоН сигналов соответственно, выходтриггера 13 подключен к входам синхронизации регистра 15 и НС 1 непосредственно, а к входу установки НС 4 -фчерез формирователь 9. Выход сумматора 8 подключен к информационномувходу регистра 15, а выход триггера14 - к входу синхронизации регистра10, информационный вход которого подключен к выходу НС 4. Кроме того, выход генератора 11 подключен к входамсинхронизации триггеров 13 и 14 непосредственно, а к НС 4 в . черезэлемент 12 запрета, запрещающий входкоторого подключен к выходу переносаРк НС 4, причем выход, регистра 10есть выход устройства по фазе Н,выход НС 1 - по частоте И, а выходрегистра 15 - по скорости изменениячастоты Н,1Накапливающий сумматор 1 содержитзамкнутые в кольцо комбинационнныйдвоичный сумматор 2 и регистр 3 спараллельной записью информации попереднему фронту импульса на входесинхронизации, разрядность которыхи представляет собой цифровойинтегратор, работающий по тактовымимпульсам на входе синхронизации.Он описывается разностным уравнением Уп+1: У п + Хп,(1) где Х Я - информация на входе НС вмомент. поступления (И+1) -го импульса на вход синхронизации;уп - информация на выходе НСдо момента поступления(+1)-го импульса; У оп+11 - информация на выходе НСпосле поступления(+1)-го импульса.Накапливающий сумматор 4 выполнен аналогично НС 1. Отличие состоит в том, что используются вход установки К регистра 6, при подаче на который логической единицы регистр 6 обнуляется, и выход переноса Р старшего разряда сумматора 5, разрядность НС 4 равна Ки, причем выхедной и-разрядный код НС 1 поступает на вход младших разрядов НС 4, На (К) старших разрядов НС 4 подается нулевой код. Таким образом, НС 4 .работает только с прямым кодом положительных чисел (в режиме суммирования).Блок 7 инверторов и комбинационный двоичный сумматор 8 реализуют вычитание выходного кода И НС 4 иэ кода константы И .ЬМ = (Н - И) "К (2) Выходной код ЬИ сумматора 8 дополнительный двоичный ш-разрядный. Для вычитания используютсй шстарших разрядов НС 4, причем ш ( и. Выходной код Н сумматора 8 подается на вход ш младших разрядов НС 1, на (ц-ш) старших разрядов подается старший (знаковый) разряд выходного кода ЬИ, НС 1 работает с дополнительным входным кодом (в режиме суммирования .и вычитания). Выходной код НС 1 ислользуется как прямой код положительных чисел, т.е, если в НС 1 результат окажется отрицательным, то перенос, возникающий при этом в сумматоре 2, не учитывается, а выходной код Из 1265644 используется как прямой (без знака)код положительного числа. За счетсдвига разрядов между НС 4, сумматором 8 и. НС 1 реализуется коэффициент передачи К = 285Формирователь 9 импульсов предназначен для получения узких положительных импульсов в момент поступления переднего фронта измеряемого сигнала Б. Длительность импульса должна бытьО . достаточной для установки регистра 6в нулевое состояние.Регистры 10 и 15 выполнены аналогично регистру 3, имеют число разрядов, равное г. 15Генератор 11 тактовой частоты формирует последовательность импульсовстабильной частоты ГЭлемент 12 запрета пропускает насвой выход импульсы генератора 11еслй сигнал переноса НС 4 отсутствует (Рк =0). Если на выходе НС 4 возник сигнал переноса (Р=1), то импульсы через элемент 12 запрета непроходят.Фазометр-частотомер в установившемся режиме при измерении параметров сигнала Пк, имеющего постоянную частоту Ек и фазовый сдвиг относительно опорного сигнала(фиг.2),ЗО работает следующим образом.Для установившегося режима (й== сопят) значение кода на выходе сумматора 8 в моменты прихода переднего фронта измеряемого сигнала дИ 1 п = О. При этом код Н на выходе НС 1 не изменяется.В момент прихода положительного фронта измеряемого сигнала на выходе формирователя 9 вырабатывается узкий 4 О импульс, устанавливающий НС 4 в нулевое состояние (Я = О).По мере поступления на вход синхронизации НС 4 импульсной последовательности с частотой Г на его выхо-, 45оде формируется линейно нарастающий код, который в соответствии с раэностным уравнением (1) можно записать в РвидеТаким образом, выходной код НС 1в установившемся режиме пряма пропорционален частоте измеряемого сиг нала.В момент прихода на вход синхронизации регистра 1 О через триггер14 переднего фронта опорного сигналаБ, на вход НС 4 проходит число имчпульсов, прямо пропорциональное временноьг сдвигумежду сигналамии Ц,(8)(3) 50 К моменту прихода следующего положительного фронта сигнала на вход НС 4 пройдет число импульсов, прямо пропорциональное частоте 1 и 55а периоду Тк измеряемого сигнала а на его выходе будет код И п = И-Е Т.Поскольку в установившемся режиме ьИ п = О, то иэ формулы (2) следует, что Учитывая, что частота сигнала обратно пропорциональна периоду, иэ формулы (6) найдем код на выходе НС 4 в этот момент равен Это значение кода заносится врегистр 10. Подставляя в выражение(10)Таким образом, в установившемся;ре- жиме выходной код регистра 10 прямопропорционален фазовому сдвигу междуизмеряемым и опорным сигналами.В регистр 15 в момент прихода переднего фронта сигнала записывается код Ю=ЬН п = О.Фазометр-частотомер с точки зрения теории автоматического регулирования представляет собой цифровую ,следящую систему, период квантования по времени в которой равен периоду измеряемого сигнала. Устойчивость ,такой системы можно проанализировать5 12 по передаточной функции разомкнутой линеаризованной системы (без учета квантования по уровню),НС 1 в системе выполняет роль цифрового интегра.тора, его передаточная Функция может быть найдена применением Е-преобразования к разностному уравнению (1)2-1где 2 - оператор Е - преобразования.НС 4 обнуляется на каждом периоде измеряемого сигнала, а информация с его выхода для сравнения с константой И снимается лишь в конец перитода, то в системе он эквивалентен усилительному звену с передаточной функцией, определяемой из равенства (6),(12) 65644 Ьневерны. Исключение возможности возникновения такого режима достигаетсявключением в цепь тактовых импульсов элемента 12 запрета. При появлении на выходе сумматора 5 сигнала переноса Рк = 1 прохождение тактовыхимпульсов на вход синхронизации регистра 6 запрещается и на выходеНС 4 Фиксируется максимальное значе О ние кода М.Рассмотрим работу устройства впереходном режиме (фиг. 3).При отсутствии измеряемого сигнала в НС 1 хранится некоторое значе йие кода частоты И 01, вследствиечего НС 4 находится в насыщении и внем хранится код И = М. Послеприхода переднего фронта первогоимпульса измеряемого сигнала в НС 1 20 записывается кодБлок инверторов 7 и сумматор 8выполняют роль элемента сравнения с-ккоэффициентом передачи К = 2обусловленным сдвигом разрядов.Передаточную функцию разомкнутойсистемы находят из выражений (11) и(12) 25 Система является устойчивой, еслимодули корней характеристического уравнения 35 1 + И (Е) = О(14) меньше 1. В нашем случае это условие из формулы (13) и (14) запишется в 4 п виде неравенства Очевидно, что это соотношение мож-,45 но всегда выполнить соответствующим сдвигом разрядной сетки, т.е. выбором числа разрядов ш и к,и соответствующим выбором частоты Е . Неравенство (15) должно проверяться для нижней частоты диапазона измерений. Анализ показывает, что устойчивый установившийся режим мог бы возникнуть при работе НС 4 с периодом, кратным периоду измеряемого сигнала (за счет переполнения НС 4). При этом результаты измерения были бы й . т.2 ф- ЗОи(г).=и,г) и,(г) к, - -а. - ф- - ,. з) 6=И 0+И 0 -И 01 (в с "т)Причем возможны два случая: еслиНг 0аИ 01 , тогда значение кодаИ уменьшается (сплошная линия,Фйг. 3); если И 0 с6 И О, тогдазначение кода Бувеличивается(штриховая линия, фиг. 3), так какпри этом М 1 сИ, но с учетом отбрасывания переноса в сумматоре 2 величина М 1 = 2 - (дг 1 03 + И ГО )На выходе НС 4 формируется линейно нарастающий код И, крутизна которого пропорциональна И. При малойчастоте измеряемого сигнала НС 4входит в насыщениеНа следующем такте величина Иуменьшается, а вместе с ней уменьшается крутизна линейно нарастающегокода И. Через несколько тактов система входит в линейную зону, ЗначениеН приближается к установившемусязначению. Признаком установившегосярежима служит равенство нулю выходного кода сумматора 8 вМ п = О, оноявляется признаком достоверностирезультатов измерения,П р и м е р. Пусть К = 22, ш = 11;й 2048 Рцф Н 1024 " 2 ф нимф2047 ф 2 н; М 01= 3600.Расчет проводят с помощью разностного уравнения, которое для НС 1можно записать в виде М п+1 = Б Я+ ЬИ п 1, (1 б)Ьи уравнений (2) и (5), учитывая, чтоНмцкс(18) На фиг, 3 представлен переходныйпроцесс для Т = 1,5 с.Таким образом, минимальное время35переходного процесса получено дляслучая Т = 1 с, при этом Соотношение (17) является оптимальным с точки зрения быстродействия. Отклонение в ту или другую сторону от него увеличивает время переходного процесса. Для оптимального соотноше 45 ния (Т= 1 с) переходный процесс в предлагаемом примере заканчивается за три периода измеряемого сигнала. Для случая Т = 0,5 с процесс монотонный, динамическая ошибка через десять периодов составляет около 0,057 и уменьшается вдвое в каждый последующий период. Для случая Т = 1,5 с переходный процесс колебательный, модуль динамической ошибки через двенадцать периодов не превышает 0,05 7 и уменьшается вдвое в каждый последующий период. В установившемся режиме ошибка измерения частоты и фазы для предла. аемого примера составляет 0,1,Х для Т = 1 с и определяется дискретностью квантования по уровню (числом разрядов ш и к) для частоты и по времени (частотой Г ) для фазы.Рассмотрим работу фазометра-частотомера в установившемся режиме, когда частота измеряемого сигнала изменяется по закону где 2 п - среднее значение частотыв и-м периоде;дй - приращение частоты заодин период, ь Г с й,Поскольку фазометр-частотомер по частоте Й представляет собой ас-Утатическую систему первого порядка, то сигнал ошибки дК п 1 такой системы пропорционален скорости изменения частоты ЬЕ. Это следует также и из того, что 6 М п входная величина. НС 1, представляющего265644 1 О 5 10 15 ращению частоты измеряемого сигнала за один период, т.е. скорости изменения частоты. Это значение когда И р = А И 1 п 1 в момент прихода перед - него фронта сигнала Б заносится в регистр 15,Таким образом предлагаемое устройство позволяет измерять одновременно фазу, частоту и скорость изменения частоты сигнала. Это позволяет в системах, где информационный параметр содержится в фазе периодического сигнала, измерять одновременно значения самого параметра и его первых двух производных. Формула изобретения(23)40Третьим слагаемым в выражении (23)АТ)( АИ п, как величиной высшегопорядка малости по сравнению с двумядругими слагаемыми, можно принебречь,5тогда(В ГпД "Я(ГпД. (24)Т 1 п 1 С точностью, определяемой динамической ошибкой, код И п 1 можно найти из равенства (7), подставляя его и значения АТ и Т Яв выражение (24), получимАИ Гп= -- АйИоСледовательно код ЬИ 1 пна выходе сумматора 8 пропорционален приПриравнивая правые части выраже, ний (21) и (22), получим Цифровой фазометр-частотомер, содержащий генератор тактовой частоты, первый накапливающий сумматор, два регистра сдвига, сумматор, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены второй накапливающий сумматор, два Р-триггера, блок инверторов, элемент запрета и формирователь, при этом выход тактового генератора соединен с тактовыми входами первого и второго Т)-триггеров и прямым входом элемента запрета, выход первого В-триггера соединен с входом первого накапливающего сумматора, с входом формирователя и тактовым входом первого регистра сдвига, информационные входы которого соответственно соединены с выходами сумматора и соответствующими входами первого накапливающего сумматора, выход второго Э-триггера соединен с тактовым входом второго регистра сдвига, выходы которого являются фазовым выходом фазометра-частотом(ра, информационные входы второго регистра сдвига соединены с соответствующими выходами второго накапливающего сумматора и через блок инверторов - с первыми входами сумматора, вторые входы которого соединены с шиной кода константы И , информационные входы первого и второго Э- триггеров являются входами соответственно измеряемого и опорного сигыалов, выходы первого накапливающего сумматора соединены с входами второго накапливающего сумматора и являются частотным выходом фаэометрачастотомера, выход формирователя соединен с входом "Сброс" второго наь 8г Составитель В. ШубинТехред И.Ходаиич едактор Н. Гуньк тор И. Самборс Заказ 5657 4 Подписета СССР о ко ытийбд. 4 и о кая 1130 роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектнаяе 11 1 капливающего сумматора, выход переноса которого соединен с инверсным входом элемента запрета, выход которого соединен с тактовым входом втоТираж 728 НИИПИ Государственн по делам изобретен 5, Москва, Ж, Ра265644 12рого накапливающего сумматора, а выходы первого регистра являются выходом фазометра-частотомера по изменению скорости частоты.