Устройство для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯРЕНИЯ ЧАСТОТЫ МЕДЛЕПРОЦЕССОВ(57) Изобретение мо ет быть исполь ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЯЬСТВУ(53) 621.317(088.8) вано для измерения процессов малой скорости, например частоты пульса, дыхания, Устройство. для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов содержит входной формирователь 1, генератор (Г) 2 пилообраз ного напряжения, пиковый детектор Э, управляемый Г 4, триггеры 5,6, ключи 7,15,16, импульсный Г 8 опорной частоты, дифференцирующие цепи 9,18, компаратор 10, источники 11,12 опорного напряжения соответственно, вспо" могательный конденсатор 14, логический инвертор 17, счетчик 19 импульсов. Устройство имеет повьппенную точность измерения., 2 з,п.ф-лы, б ил. аФ50 Изобретение относится к техникеэлектрических измерений и предназна"чеио для измерения частоты процессов малой скорости, например частотыпульса, , дыхания и т.д.Цель изобретения - повышение точ"ности измерения и расширение диапазо-на измеряемых частот.На фиг.1 представлена функциональ Оная схема устройства для цифровогоизмерения частоты медленно меняющихся процессов; на Фиг.2 - временные. диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг.3-5 - функциональные схе мы соответственно пикового детектора,импульсного генератора опорной частоты и магазина конденсаторов; на Фиг.6 временные диаграммы, поясняющие работу магазина конденсаторов, 20Устройство для цифрового измере"ния частоты медленно меняющихся процессов содержит входной формирователь 1, генератор 2 пилообразного напряжения, пиковый детектор 3, управляемый генератор 4, первый 5 и второй 6 триггеры, первый ключ 7, импульсный генератор 8 опорной частоты,первую дифференцирующую цепь 9, компаратор 10, первый 11 и второй 12 30источники опорного напряжения, магазин 13 конденсаторов, вспомогательныйконденсатор 14, второй 15 и третий 16 ключи, логический инвертор 17вторую дифференцирующую цепь 18 исчетчик 19 импульсов,Генератор 2 пилообразного напряжения может быть выполнен, например,на эталонном конденсаторе 20, генераторе 21 тока и цепи 22 разрадя эта Олонного конденсатора..Пиковый детектор 3 может содержатьнапример, эмиттерный повторитель 23,аналоговое запоминающее устройство 24,устройство 25 сброса напряжения и 45элемент ИЛИ 26,Импульсный генератор 8 опорнойчастоты может быть реализован, например, на счетчике 27 импульсов, коммутаторе 28, генераторе 29 импульсов, Ь делителях 30-1 - 30-й часто"ты импульсов.Магазин 13 конденсаторов можетсодержать, например, сдвиговый регистр 31, генератор 32 логической еди.ницы, управляемый блок 33 конденсаторов, блок 34 задержки, выполненныйна конденсаторе 35 и резисторе 36, ауправляющий блок 33 конденсаторов мо" жет включать в себя, например, 1 параллельно соединенных ветвей, каждая1-я ветвь состоит из последовательновключенных коденсатора 37-1 и ключа38", причем управляющие входы ключей 38-,1 - 38-2 являются соответствующими входами 1- управляемого блока 33 конденсаторов, а концы всехукаэанных ветвей соединены соответственно с выходом управляемого блокаконденсаторов и шиной нулевого потенциала,Устройство работает следующим об"разом,Импульсная последовательность измеряемой частоты преобразуется входным.формирователем 1 (фиг,2 а) в короткие прямоугольные импульсы, передний Фронт которых соответствует вовремени экстремальному значению каждого периода исследуемого процесса(фиг.2 б).Первый импульс с выхода формирователя 1 поступает на вход триггера 5, взводя его, а также поступа"ет на управляющий вход цепи разрядагенератора 2 пилообразного напряжения, воздействуя на последнюю, чтоприводит к быстрой разрядке черезнее эталонной емкости С в маэтяомент С, Выходной импульс формирователя 1 поступает также на управляю-,щий вход ключа 15, замыкая его, и через логический инвертор 17 на управляющий вход ключа 16, размыкая его,при этом вспомогательный конденсатор 14 заряжается до напряжения опорного источника 11. Кроме того, импульс Формирователя 1, поступая напервый вход магазина 13 конденсаторов, устанавливает потенциалы логи"ческой единицы на входе параллельйойзаписи сдвигового регистра 31 и че"рез время задержки блока 34 задержкипоступает на второй вход управленияпараллельной записи .сдвигового регистра 31 (Фиг. бв, Бд(34,При этомв течение времени совместного действия импульсов на первом и втором входах сдвигового регистра 31 на его выходе устанавливаются уровни логической единицы, которые, поступая науправляющие входы ключей 38 блока 33конденсаторов, замыкают ключи 38, аследовательно, и первые выводы конденсаторов 37 на шину нулевого потенциала, вторые соединенные друг сдругом выводы конденсаторов, являясьвыходом магазина 13 конденсаторов,1413542иэ генератора 32 логической единицына вход последовательной информации сдвигового регистра 311 при этом5ключ 38-1 замыкается и конденсатор37-1 подсоединяется параллельно кон 1денсаторам 14 и 20, напряжение накоторых в момент времени С скачкомпадает с напряжения, равного 111 , до10 величиныи (г.=е ) = У, ----(2)Сд+ Сдо2 йС+С+С,а пиковый детектор 3 под действиемимпульса компаратора 10 разряжается15до этого же напряжения. Кроме того,импульс компаратора 10, поступая напервый вход импульсного генератора 8,увеличивает код счетчика 27 иа единицу, что соответствует изменению масштаба представления периода входнойпоследовательности напряжением враэ,Если ц принять равной двум, тоС+ С + С 1253СС14 ЕО 31-1ЗЬ -1С + С + С С14 йО 39 -1ф " 36-1-Соотношение (3) позволяет последовательно выбирать величины емкостейконденсаторов С в , С подсоединены также к шине нулевогопотенциала через цепь 22 разряда генератора 2 пилообразного напряжения,В результате конденсаторы 37 разряжаются до нуля. После окончания действия импульса на выходе формирователя 1 цепь 22 разряда размыкается, напервых выходах регистра 31 сдвига,а следовательно, и на его выходах устанавливаются уровни логического нуля, при этом ключи 38 размыкаются,вспомогательный конденсатор 14 отсоединяется от источника 11 и подсоединяется ключом 16 к эталонному конденсатору 20, перераспределение зарядовна которых приводит к установлейиюпотенциала на них, определяемого выражением"ф З "С+С1 гогде Б - напряжение на выходе первоиго источника 11 опорногонапряжения;С, и - емкости конденсаторов 14С о и 20 соответственно.Начиная со значения У , формируемое в последующие моменты времени напряжение на .выхоДе генератора 2 пилообразного напряжения совпадает с пилообразным напряжением, начало генерации которого совпадают с передним фронтом импульса на выходе формирователя 1. Таким образом, точность формирования пилообразного напряжения, особенно для малых времен, на выходе генератора 2 значительно вьпде, по сравнению с известным устройством, для которого начало формирования пилообразного напряжения существенно не совпадает с началом управляющего импульса и зависит от времени, необ" ходимого для разряда конденсаторов устройств. При большом периоде входных импульсов напряжение на выходе генератора 2, линейно нарастая, достигает уровня напряжения П второго источника 12 опорного напряжения, при этом компаратор 10 в момент й срабатывает, в результате чего на второй вход магазина 13 конденсаторов, а следовательно, и на вход управления последовательной записью сдвигового ре-. гистра 31 поступает импульс (фиг.бг, Б . (13, при этом в первый разЬио д г.ряд сдвигового регистра 31 заносится логическая единица, поступающая Напряжение эталонного конденсатора 20, поступая через эмиттерный35 повторитель 23 на вход аналоговогозапоминающего устройства 24, отслежи"вается последним йа его выходе, являющемся выходом пикового детектора 3(фиг.3), с которого поступает.на вход40 управляемого генератора 4 с линейноймодуляционной характеристикой,.формирующего импульсы, частота следования которых (фиг,2 ж) меняется в зависимости от управляющего напряжения45 пикового детектора 3 (фиг.2 е).С выхода управляемого генератора 4последовательность импульсов поступает на счетный вход второго триггера 6,который находится в исходном состоя"нии (входное напряжение триггера 6,соответствует уровню логической еди"ницы). При этом выходные импульсы генератора 4, поступающие на счетныйвход триггера 6, не могут изменитьего состояние до тех пор, пока напряжение на входе установки триггера 6не станет равным уровню логическойединицы, 1413542В моменты времении т д1 фвыходное напряжение триггера 5 изменяется с нулевого уровня на уровень логической единицы. При этом триг": гер 6 получает возможность работать в счетном режиме (т.е.возможность изменять состояние уровней выходных напряжений при поступлении импульсов на счетный вход). 10С приходом первого счетного импульса с выхода управляемого генератора 4 на счетный вход второго триггера 6 выходной уровень напряжения последнего изменяется на противополож б ный. Первый импульс генератора 4 переводит второй триггер из состояния логической единицы в нулевое.Второй импульс с выхода управляемого генератора 4, воздействуя в мо мент времени й 4 на счетный вход второго триггера 6, вновь перебрасывает его в противоположное (исходное) состояние. Импульс, сформированный на выходе триггера 6, дифференцируется дифференцирующей цепью 9.Выходной .импульс дифференцирующей цепи положительной полярности в момент времени 1 поступает на вход установки нуля триггера 5 и сбрасывает триггер 5. З 0 При этом нулевой уровень напряжения с выхода первого триггера 5 (фиг.2 э), поступив на установочный вход (установки уровня логической единицы) второго триггера 6, переводит его в состояние, нечувствительное к импульсам с выхода импульсного генератора 4.Сформированный таким образом в интервале времени с - импульс на вы 4ходе второго триггера 6 (фиг.2 и) поступает на второй вход (управляющий) электронного ключа 7, открывая его на время своего действия Через открытый электронный ключ 7 импульсы, поступающие на первый вход последнего 45 с выхода генератора 8 опорной частоты, проходят на выход электронного ключа 7 (фиг.3 л) до тех пор, пока он не закроется в момент времени йпо окончании действия импульса с выхода триггера 6.Таким образом, электронный ключ 7 открыт в промежуток времени С"1 или на время, равное периоду следования импульсов на выходе управляемого 55 генератора. Число этих импульсов пропорционально измеряемой частоте процесса,Напряжение на выходе аналогового запоминающего устройства 24 (фиг,З) и на выходе пикового детектора 3 сбрасывается в момент времени с 4 через устройство 25 сброса путем воздействия на последнее положительного импульса с выхода дифференцирующей цепи 9 (фиг,2 к), после действия которого напряжение на выходе аналогового запоминающего устройства 24 и на вы" ходе пикового детектора 3 вновь повторяет через эмиттерный повторитель 23 линейно изменяющееся напряжение с эталонной емкости 20 генератора 2 пилообразного напряжения, кроме того, после каждого срабатывания ком" паратора 10 (фиг,2 в) производится аналогичный сброс пикового детектора 3.Используемые для измерения первый и второй выходные импульсы импульсного генератора 4, составляющие его период Т =-й , следуют позднее момента времени С, установления стационарного режима блока 4, Так как для измерения используется временной интервал следования импульсов, следующий эа моментом времени, то дляФ работы данного импульсного генератора 4 не требуется синхронизации скачков управляемого напряжения пикового детектора с выходными импульсами релаксационного генератора.Предлагаемое устройство для цифрового измерения мгновенной частоты импульсной последовательности отличается от известного более высокой точностью, особенно в области повышен ных частот, так как измерение периода выходных импульсов выполняется . между одноименными фронтами входных импульсов, при этом время обработки не влияет на результат измерения, )Благодаря коммутации конденсаторов магазина 33 расширяется диапазон в области низких частот. При изменении кода счетчика 2 изменяется и частота на выходе генератора 8 импульсов в о раз,Формула изобретения3. Устройство для цифрового измерения частоты медленно меняющихся процессов по авт.св. В 930344, о т л и " ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения и расши"1413 рения диапазона измеряемых частот, в него введены второй конденсатор, второй и третий ключи, логический инвертор, два источника опорного напряжения, компаратор, магазин конденсаторов, вторая дифференцирующая цепьсчетчик импульсов, причем первый вы- вод второго конденсатора соединен с выходом источника опорного напряже ния через второй ключ, связанный своим управляющим входом с выходом входного формирователя, с входом логического инвертора и с первым входом магазина конденсаторов, выход ко торого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, первым входом компаратора и информационным входом третьего ключа, соединенного своим управляющим входом с выходом 20 логического инвертора, в выход второго ключа подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход второго источника опорного напряжения связан с вторым входом компаратора, соединенного своим выходом с вторым входом магазина конденсаторов, с дополнительным вхо" дом пикового детектора и с первым 30 входом импульсного генератора опорной частоты, второй вход которого подключен к выходу первой дифференцирующей цепи, вход второй дифференцирующей цепи соединен с выходом35 первого триггера, а ее выход связан с входом сброса счетчика, соединенного своим тактовым входом с выходом первого ключа, при этом выход счетчи- . ка является выходом устройства. 402, Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что магазин кон" денсаторов содержит сдвиговый регистр,542 8генератор логической единицы, блок задержки и управляемый блок конденсаторов, управляющие входы которого соединены с соответствующими выходами спвигового регистра, вход сдвига которого является вторым входом магаэи" на конденсаторов, выходом которого является выход управляемого блока конденсаторов, соединенного своим Вторым выходом с шиной нулевого потенциала, выход генератора логической единицы соединен с последовательным входом сдвигового регистра, вход за" писи параллельного кода которого связан с выходом блока задержки, вход которого соединен с разрядными входами сдвигового регистра и является первым входом магазина конденсаторов.Э. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что импульсныйгенератор опорной частоты содержит генератор импульсов, коммутатор, Ь делителей частоты, счетчик импульсов, тактовый вход и вход сброса которого являются соответственно первым и вторым входа.ми импульсного генератора опорнойчастоты, выходом которого являетсявыход коммутатора, соединенного своими управляющими входами с соответствующими выходами счетчика импульсов, выход генератора соединен спервым из информационных входов коммутатора, остальные информационныевходы которого соединены с выходамисоответствующих делителей"частоты,соединенных последовательно в цепь,в которой вход каждого последующегоделителя частоты соединен с выходомпредыдущего, а вход первого делителячастоты в цепи последовательно соединенных делителей частоты соединенс выходом генератора импульсов,о1413542 1 2 Соста Техре ль А,КозленкОлийнык Корректор С.Черн.Ога еда каз 3778/47 Тираж ВНИИПИ Госу по делам 035, МоскваПроизв4 роектна ЩхЮЯ Е ююФ 1аобдыхаюеИиИ В Ц8 ыхРию) дыМ ЮЗО " ВыхгЦЗЦВьюг 772 Подписирственного комитета СССРзобретений и открытийЖ, Раушская наб д. 4/5 нно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород