Способ измерения частоты и устройство для его осуществления

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСП 1 ЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение может быть использовано в качестве низкочастотногочастотомера и позволяет повысить егобыстродействие и точность измерения.Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, ключи 2, 4, 9 и 16,пределах путем и ния постоянных в тегрирования опо результата перво 2 с.п.ф-лы, 5 ил енения соотнош алеки второго и ного напряже о интегриров ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР,8014675 интегратор 3 со сбросом, схему 6сравнения, генератор 8 импульсов образцовой частоты, счетчик 1 О, блок11 цифровой индикации, формирователь12, блок 14 запуска и сброса и интегратор 5. Введение формирователя15 опорного интервала времени и образование новых функциональных связей позволяет получить повышение точности измерения частоты благодарясоответствующему уменьшению постоянной времени первого интегрированияпри сохранении чувствительности измерения. Кроме того, устройство обеспечивает плавность регулировки чувствительности измерения в широкихИзобретение относится к измерительной технике и может использоваться в качестве низкочастотного частотомера5Цель изобретения - повышение быстродействия и точности измерения.Способ основан на промежуточном преобразовании длительности периода измеряемой частоты в напряжение пу О тем интегрирования опорного напряжения в течение этого перепада и преобразовании длительности опорного интервала времени в напряжение во время промежуточного преобразова ния путем интегрирования опорного напряжения в течение опорного интервала, результат которого сохраняется до момента окончания промежуточного преобразования, после чего произво дят определение длительности информативного интервала времени, пропорционального значению измеряемой частоты, посредством второго интегрирования с инвертированием знака на пряжения, пропорционального длительности периода измеряемой частоты в пределах от результата преобразования длительности опорного интервала времени в напряжение до момента на ступления нулевого значения результата второго интегрирования.Значение постоянной времени при втором интегрировании напряжения, пропорционального длительности периода измеряемой частоты, выбирают больше, чем значение постоянной времени при интегрировании опорного на-. пряжения в течение опорного интервала времени. 40На фиг.1 представлена структуреная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства; на фиг.3 - 5 - возможные варианты схем отдельных блоков. 45Устройство содержит (фиг,1) последовательно соединенные источник 1 опорного напряжения (ИОН), ключ 2, интегратор 3 со сбросом, ключ 4, интегратор 5 и схему 6 сравнения, второй вход которой подключен к общей шине 7 устройства, последовательно соединенные генератор 8 импульсов образцовой частоты (ГИОЧ), ключ 9, счетчик 10 и блок 11 цифровой индикации. Устройство содержит также входной формирователь 12, вход которого является входом 13 устройства, а выход соединен с управляющим входом ключа 2 и первым входом блока 14 запуска и сброса (БЗС), второй вход БЗС 14 соединен с выходом схемы 6 сравнения, Первый выход БЗС 14 подключен к управляющим входам ключей 4 и 9, а второй и третий выходы соединены с входами "Сброс" соответственно интегратора 3 и счетчика 10, формирователь 15 опорного интервала времени (ФОИВ) и ключ 16, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя 15 опорного интервала времени, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно входного формирователя 12 и генератора 8 импульсов образцовой частоты. Выход источника 1 опорного напряхения через ключ 16 соединен с вторым входом интегратора 5.Интегратор 3 выполнен инвертирующим.На фиг,2 обозначено:П (г.) - сигнал на входе 13 устройства с измеряемой частотой Г;, Пр - напряжение на выходе источника 1 опорного напряжения; П(С)-П(С), Пэ, П 2П 1 - напряжения на выходах блоков 2 - 6, 9, 12, 16; Б 0 1 , 11- напряжения, соответственно, на первом, втором и третьем выходах блока 14 запуска и сброса.Схема одного из возможных вариантов выполнения интегратора 5 с двумя входами содержит (фиг.3) операционный усилитель 17, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине 7 устройства, конденсатор 18, включенный между выходом иинвертирующим входом операционного усилителя 17, а также подключенные к этому входу резисторы 19 и 20, вторые выводы которых являются входами интегратора 5. При этом сопротивление ре-, зистора 19, соединенного с выходом ключа 4, больше сопротивления резистора 20, подключенного к выходу ключа 16,.Блок 14 запуска и сброса может быть выполнен (фиг,4) на основе КБ- триггеров 21 и 22 и одновибраторов 23 - 25Входы одновибраторов 23 и 25 объединены и являются первым входом БЗС 14, выход одновибратора 23 подключен к Б-входу КБ-триггера 21 и одновременно является третьим выходом блока 14 запуска и сброса. Выход одновибратора 25 подключен к К-входу КБ-триггера 22, Б-вход кото 1467519рого объединен с К-входом КБ-триггера 21 и выходом одновибратора 24,вход которого является вторым входом БЗС 14. Выходы КБ-триггеров 215и 22 являются, соответственно, первым и вторым выходами блока 14 запуска и сбросаОдновибраторы 23 и24 срабатывают по заднему фронту,а одновибратор 25 - по переднему 10фронту входных сигналов.Схема одного из возможных вариантов построения формирователя 15 опор-ного интервала времени Т,п содержит(фиг.5) одновибратор 26, вход которого является первым входом ФОИВ 15,элемент И 27, первый вход которогоявляется вторым входом ФОИВ 15, КБтриггер 28, выход которого, соединенный с вторым входом элемента И 27, 20является выходом ФОИВ 15, и счетчик29, счетный вход которого подключенк выходу элемента И 27, а вход установки в нуль (К-вход) объединен с25и-м (где и==- - коэффициент пересчеТота счетчика 29) выходом счетчика 29и подключен к К-входу КБ-триггера 28,Б-вход которого соединен с выходомодновибратора 26, срабатывающего по 30переднему фронту импульса Тх.Устройство работает следующим образом,В исхОДнОм состоянии при Отсут ствии сигнала на входе и на выходе входного формирователя 12 по сигна лам БЗС 14 и ФОИВ 15 ключи 2, 4, 9 и 16 закрыты, а интегратор 3 находится в сброшенном состоянии, т.е. 40 9=0 (при этом с второго выхода БЗС 14 на вход "Сброс" интегратора 3 поступает единичный уровень).С приходом на вход 13 устройства входного сигнала с измеряемой часто той 2 на выходе входного формироваХтеля 12 образуется импульс длительностью ТХ, на время действия которого открывается ключ 2, передним фрон; том импульса Тчерез одновибратор 25, КБ-триггер 22 БЗС 14 перебрасывается в нулевое состояние и интегра,тор 3 начинает интегрировать опорное напряжение Ьо. ИОН 1. Одновременно передним фронтом импульса Тчерез одновибратор 26, КБ-триггер 28 ФОИВ 15 переключается в единичное состояние, разрешая с помощью элемента И 27 прохождение импульсовобразцовой частоты с периодом Тс от ГИОЧ 8 на счетный вход счетчика 29. С приходом п импульсов образцовой частоты сигнал с и-го выхода счетчика 29 переключает КЯ-триггер 28 и счетчик 29 по К-входам в нулевые состояния, Тем самым на выходе КБ-триггера 28 и, следовательно, на выходе ФОИВ 15 формируется опорный интервал времени длительностью Тп= = иТ,На время Топ открывается ключ 16 и опорное напряжениео, подвергается второму интегрировании с помощью интегратора 5 с постоянной времени Г В момент окончания Топ напряжение на выходе интегратора 5 равноТоп ПоТопаг,= ---- (1) 10л Для однозначности считаем интегратор 5 инвертирующим. По окончании Тс ключ 16 закрывается и интегратор 5 переходит в режим хранения напряжения П . Появление напряжения на выходе интегратора 5 приводит, как следует из фиг.2, к переходу схемы 6 сравнения в единичное состояние,С приходом заднего фронта импульса Т закрывается ключ 2, первое интегрирование заканчивается и интегратор 3 с постоянной времени , переходит в режим хранения своего выходного напряжения, которое к этому моменту равнот1 Тйс = --- -" (2)3 , Оо1 Знак минус перед значением интеграла указывает на операцию инвертирования результата первого интегрирования, что обеспечивается выполнением интегратора 3 инвертирующим.По заднему фронту импульса Т с помощью одновибратора 23 БЗС 14 фор мируется импульс сброса, который переводит счетчик 10 в нулевое состояние, а также переключает КБ-триггер 21 БЗС 14 в единичное состояние, в результате чего открываются ключи 4 и 9. При этом на вход интегратора 5 поступает с выхода интегратора 3 инвертированный результат первого интегрирования, описываемый выражением 2 , а открывание ключа 9 означает начало формирования информативного интервала времени Т, по моменту окончания Т1467519 ьлТ, Топо- ю (5)тТоОтсюда вытекает выражение для отно 5 сительной погрешности гтизмерениячастоты 1.г+ Х(6)где п - относительная погрешностьот нестабильности коэффициента пересчета и счетчика 29.Результат измерения 11 не зависитот стабильности опорного напряжения11 постоянной времени Гт и периода То образцовой частоты,15В соответствии со способом измерения частоты Формирование опорногоинтервала времени Топ должно осуществляться в течение времени первого(4)интегрирования, т.е. в пределах дли 20тельности импульса Т, однако, дляупрощения практической реализациифОИВ 15, начало опорного интервалавремени Тпп целесообразно синхронизировать с началом первого интегрирования, т.е. с началом периода Тизмеряемой частоты.формирование опорного интервалавремени Тпо началу периода Т измеряемой частоты позволяет частичноскомпенсировать погрешность измерениЯ частоты У р, обусловленнуюразрядом емкости первого интегратора 3,Действительно, при Т оп с Т(чтонетрудно осуществить практически) кмоменту окончания Т напряжение Пна выходе интегратора 5 из-за разряда конденсатора последнего уменьшается и равноТх Топ 11 о Топ Тх Топ,11. =11 (1- - -")= --- (1 орт о рт 01 Тх 1 5 Бо Топ 11 о ТхЕ 1.1 от Топ 13 оТхТ+ л л 1 о, ьтат С учетом разряда конденсаторовисла им- интеграторов 3 и 5 напряжение 11ом 11 на выходе последнего изменяется на50 интервале Т по закону( Б о Топ Тх ГоОЙ 1= -- х п)+3 1.1 (С)=1.1ото Так как результат первого интегрирования 11 о противоположен по знаку опорному напряжению Бо, то с учетом выражений (1) и (2) выходное напряже ние интегратора 5 в результате второго интегрирования напряжения Цз изменяется по следующему закону: т.е. уменьшается по абсолютному значению. В момент равенства выходногонапряжения интегратора 5 нулю, т.е.при выполнении равенства где Т- время интегрирования напряжения 11 з интегратором 5, совпадаю-.щее с информативным интервалом времени, срабатывает схема 6 сравнения 25 и задним фронтом своего выходного сигнала через одновибратор 24 переключает КБ-триггер 21 в нулевое, а КЯ-триггер 22 БЗС 14 - в единичное состояния. В результате переключе ния этих триггеров закрываются ключи 4 и 9 и сбрасывается в нуль интегратор 3, тем самым формируется задний Фронт информативного интервала времени Т, по моменту равенства нулю результата второго интегрирования, а все устройство возвращается в исходное состояние и с приходом очередного переднего фронта импульса Т цикл работы повторяется, 403.ак как время открытого состояния ключа 9 определяется длительйостью информативного интервала времени Т то, заполняя последний с помощью ГИОЧ 8, ключа 9 и счетчика 10 импуль сами образцовой частоты с периодом повторения То, получаем резулизмерения частоты Гв виде чпульсов М, индицируемых блокцифровой индикации где Грт - постоянная времени разряда конденсатора интегратора 5,46759 выра-2 с Т ТопЕ и с +( 1 р 1, )1 Г (10)ГЕ 2 и,следовательно, суммарная относи, тельная погрешность ХЯот разряда конденсаторов интеграторов 3 и 5 равна Выбор значения постоянной времени К 2 оС , для опорного напряжения Поменьшим значения постоянной времени Овторого интегрирования К 19 С,иодля результата первого интегрирования 11 зпутем выполнения неравенства К, /К26позволяет получить повьппение точности измерения частоты Г благодаря соответствующему уменьшению постояннойвремени первого интегрирования С,при сохранении чувствительности измерения, т,е, при п , К,9/К сопят.Уменьшение значения , приводит к повышению ее стабильности (например,благодаря уменьшению температурногокоэффициента емкости конденсаторапри уменьшении его емкости), а значит, и уменьшению составляющей относительной погрешностиВыбор отношения К /К 2, ъ 1 позволяет повысить чувствительность измерения, например, в 10 раз (при практически приемлемом значении отношеК 9/К 2 о = 10).Преимуществом устройства является также воэможность плавной регулировки чувствительности измерения вшироких пределах путем изменения соотношения постоянных времени второго интегрирования опорного напряже"ния Б , и результата первого интегрирования БЭ, что легко осуществляется с помощью плавного измененияотношения К,9/К 2,. Тх-ТоплР 2 Второе интегрирование опорногонапряжения Бо 1 и результата первогоинтегрирования БЭ можно осуществитьс различными постоянными времени,Для этого выходное напряжение 11 ин 3тегратора 3 подают на интегратор 5через ключ 4 и резистор 19, а опорное напряжение Б о, - через ключ 16" и резистор 20 интегратора 5,В этом случае равенство (4 принимает следующий вид: По 1 Топ 3 о 1 ТТ 1 К 2 дС "1 19 8(12) К К, и С- значения, соответственно, сопротивлений резисторов 19, 20 и емкости конденсатора 18.Из (12) вытекает выражение для результата измерения частоты ГБ =пп -- Е, (3)К 19э "1 К х2 о Анализ выражения (13) показывает, что результат измерения И э также не зависит от стабильности опорного напряжения 11 о емкости С 1 конденсатора 18 интегратора 5,.вносящей, как известно, основной вклад в несабильность постоянной времени 22, и периода То образцовой частоты, а суммарную относительную погрешностьизмерения частоты с учетом разо Зряда конденсаторов интеграторов 3 и 5 можно представить в следующем виде(14) 39= п + РП Р я50 где у - относительная погрешность5 йот нестабильности отношения резисторов К 9/К 20Поскольку нетрудно обеспечить выполнение неравенства 55Ор 2 7 р 2 То (о 1то и в этом случае обеспечивается повьппение точности измерения частоты,Из соотношения (9) получаемжение для результата измерения учетом разряда конденсаторов интеграторов 3 и 51 формула изобретения 1. Способ измерения частоты, ос 1 нованный на промежуточном преобразовании длительности периода измеряемой частоты в напряжение путем интегрирования опорного напряжения в течение этого периода, преобразовании длительности опорного интервала времени в напряжение путем интегрирования опорного напряжения в течение этого интервала и определении длительности информативного интервала времени, пропорционального значению измеряемой частоты, посредством второго интегрирования с инверти;рованием знака напряжения, пропорцио 1467нального длительности периода измеряемой частоты, в пределах - от результата преобразования длительности опорного интервала времени в напряжение до заданного значения результата второго интегрирования, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения быстродействия и точности измерения, преобразование длительности опорного интервала временипроизводят во время промежуточногопреобразования длительности периодаизмеряемой частоты в напряжение, причем результат преобразования длитель.ности опорного интервала времени внапряжение сохраняется до момента1 окончания промежуточного преобраэованйя, после чего производят второеинтегрирование с постоянной времени 20интегрирования большей, чем при пер"вом интегрировании, до момента равен-;ства нулю результата второго интегрирования,2, Устройство для измерения частоты, содержащее последовательносоединенные источник опорного напряжения, ключ, интегратор, второй ключ,второй интегратор и схему сравнения,последовательно соединенные генера- , 30 519 1 Отор импульсов образцовой частоты, третий ключ, счетчик и блок цифровой индикации, а также четвертый ключ, блок запуска и сброса и входной формирователь, выход которого объединен с управляющим входом первого ключа и первым входом блока запуска и сброса, при этом второй вход блока запуска и сброса подключен к выходу схемы сравнения, первый выход - к управляющим входам второго и третьего ключей, а второй и третий выходы - к входам "Сброс" соответственно первого интегратора и счетчика, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, в него введен формирователь .опорного интервала времени, первый и второи входы которого подключены к выходам соответственно входного формирователя и генератора импульсов образцовой частоты, а выход - к управляющему входу четвертого ключа, при этом выход источника опорного напряжения через четвертый ключ соединен с вторым входом второго интегратора, а второй вход схемы сравнения - с общей шиной устройства.192/43 Тираж 711 ПодписноеГосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 аказ водстэеннО-издательский комбинат фПатент", г, ужгород, ул. Гагарина,1