Способ измерения мгновенных значений частоты электрического сигнала и устройство для его осуществления

(5) 4 ГОСУДАРСТВЕННПО ИЭОБРЕТЕНИЯПРИ ПНТ СССР КОМИТЕТОТКРТИЯМ АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ мереция. Способ мерения мгновенных ектрического сигции Формирования последовательносенных на времен- превышающий поло дования, смещения ала на постоянный оты э чеции Бюп, Р 31кибернетик цала включает опер двух периодических тей импульсов, сме цой интервал, н вину периода их сл электрческого сиг уровень, измерения ций электрических тельство СС 3/00, 198 льство СССР 23/00, 1985 И МГНОВГН% ЧВСКОГО СИ 1,ГО ДОСУГЕСТвенных значе ычита игнал последних из результатов изм мгновенных значений исходног цця ция сиг ала и выч Выходной, тл, сум атора 1 чццка 2 ФорЦель и из ист осится к и ой технике рез коммутатор преобразовател ие точ А ВТОРСКСМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНЧЕНИЙ ЧАСТОТЬ ЭЛЕКТРЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЛНИЯ(57) Изобретение отмационно-измерительизобретения - цовыш сигцал поступает на вхоопорное напряжение - спорцого напряжения. Че 3 и аналого-циФровойь 4 сигнал поступаетгистр 22 пересылается н отсчетно-регистрирующее устройство 24. Устройство содержит также делитель 6 частоты, триггеры 7, Я, Формирователь 9 импульсов, блоки 10, 11 задержки,элементы И-НЕ 12,13, управляемый делитель 15 частоты, задатчик 16 коэффициента деления, 2 с,п,ф-лы, 3 ил,Я, (с) =Ош -- ( 1 + 2 , - Сов пс 1,г) (2)Дс в 1 п(п й с л /Т,).ш Т, пД/Тогде й г. - длительность импульсов, вой на интервал времени, не преТ, - период следования (ТО=1/Г,); вышающий половину периода их следоОд - постоянная величина, вания. Допустим, что сдвигравенЗатем Формируют вторичную после р 0,5 Т (Фиг,2 г), тогда вторая последовательность коротких прямоугольньж довательность коротких прямоугольных импульсов (Фиг,2 г, вторая операция импульсов опишется выражением (при способа), сдвинутую относительно пер- Оо,= Оо : О постоянных величинах) Ь с ч: - 81 п(п Ь С л /То )и=О -- (1+ г------- Сов и (ц с +7), (3)от фТ де ц /То уровня второго электрического сигнала (2) (четвертая операция способа). ф результате получают смещенный электрический сигнал (Фиг,2 д),Формируют второй электрический сигнал (Фиг,26,третья операция способа) ц (С 1 - О о (4) М (с) =Ц +У ж (27.й, С -С ) (5) наперед заданного и различимого по измерительному прибору постоянного уровня 1, намного меньшего, например, амплитудного значения сигнала (1), т,е, Б сс БИсследуемый электрический сигнал (1) смещают ка значение постоянного Измеряют мгновенные значения смещенного электрического сигнала (5) в момент времени с;, С; Г,(пятая операция способа), измеряют мгновенное значение электрического сигнала (4) в момент времени с; ,с; 3 503022 на арифметический блок 23, Установка триггера 8 осуществляется путем нажатия кнопки 21 "Пуск" или с клеммы 20 внешнего запуска. Переключателем 19 осуществляют выбор режимов работы, Отсчет тактовых импульсов генератора 5 осуществляется в счетчике 14 импульсов, Результат через реИзобретение относится к информационно-измерительной технике и может,быть использовано по прямому назначению в частотомерах мгновенньж энач.ний, в устройствах подстройки частоты, в устройствах измерения незлект.2 Орических величин генераторными (частотными) методами,Целью изобретения является повышение точности измерения,На Фиг,1 приведена блок-схема устройства измерения мгновенных значений частоты электрического сигналана Фиг,2 - временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройствана Фиг,3 - блок-схема арифметического блока.Сущность способа измерения мгно.венных значений частоты электрического сигнала заключается в следующем.Допустим, что необходимо с высокой точностью измерять мгновенные значения частоты электрического сигнала (Фиг.2 а)Й, (с) =( з 1 п (2 и Г Е - ( ), (1) где Г, - мгновенное значение частолты;И(с) - мгновенное значение напряжения;Чю - начальный Фазовый сдвиг,0- амплитудное значение сигнала.Для решения этой задачи Формируют периодическую последовательность коротких прямоугольных импульсов (Фиг,2 в, первая операция способа)5150302 с ,- (Фиг,2 д), залержаццые по отношению к моментам времении с а на время Г = 0,5 Т (шестая операция способа), Поскольку Функция5 преобразования реального измерителя И опиоывается выражениембыстродействие процесса измерениямгновенных значений амплитуд составляет 0,1-0,5 мкс, то частотный диапазон применимости описанного способасоставляет от тысячных долей герцадо мегагерца, т,е. 10 - 10 Гц,Устройство, реализующее способ (Фиг, 1), содержит сумматор 1, источник 2 опорного напряжения, коммута" тор 3, аналого-цифровой преобразователь 4, генератор 5 тактовых импульсов, делитель 6 частоты, триггеры 7 и 8, формирователь 9 импульсов, блоки 1 О и 11 задержки, элементы И-НЕ 12 и 13, счетчик 14 импульсов, управляемый делитель 15 частоты, эадатчик 16 коэффициента деления, дешифратор 17, элемент ИЛИ-НЕ 18, переключатель 19 режимов работы, клемму 20 внешнего запуска, кнопку 21 "Пуск", регистр 22, арифметический И = Я (1 + ) гг + ЬИ, (б)где г) - амплитуда выборки, 10 8и Д И - мультипликативц ая и алдитивная составляющие погрешностипреобразования,то результаты измерения мгновенных значений сигнала (5) опишутся цыражеИ,= Ъ(с,) 8 (1 + у) + ДИ; (7)20 И;, = гг (С;, )Б(1 +) +ЬИ, (8) И;+ф = (1(с;,а)Б(1 + ) +ДИ, (9)а сигнала (4) - выражениями25И;, = й (с)Б(1 +) +ДИ) (10) И , - й,(с , ) 8(1 +) + Д И; (11) И;- а,(с, ) 8(1 + гг ) + ДИ Поскольку и,(с, )=а,(с; )= Ю(С;+ )=гга, то щлражения (10)-(12) примут видпоскольку с =(с +с,)/2, а (с+- -с) /2 =Т40 Как видно из выражения (20),результат измерения мгновенных эйаче= ний частоты электрического сигнала не содержит аддитивцой и мультипликативной составляющих погрешности иэмере ния. Моменты времени с , сф 1+ги с измерения амплитуд выборок могут быть выбраны произвольно на любом интервале исследуемого электрического сигнала, Число измерений частоты за период и частотный диапазон исследуемых сигналов ограничиваются быстродействием процесса измерения мгновенных значений амплитуд и временем обработки результатов промежуточных измерений. Практически время обработки результатов промежуточных измерений весьма мало и составляет сотци наносекунд, Если И,- И, 8(1 +) + Д И, (13) И; =Ц 8(1 + ) + ДИ; (14) 5 Оа Я(1 + ) + ДИ, (15) Затем вычитают результаты измерений (13)-(15) соответственно иэ предшествующих результатов измерений (7)- в (9) мгновенных значений смещенного электрического сигнала (5) (седьмая операция способа). В результате по- лучают Мгновенное значение частоты электрического сигнала (1) вычисляют по Формуле 1 И + ИГ, = И--- агссоз ( - --- )2 И Описанный способ измерения обеспечивает исключение аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности измерения. Действительно, в выражение (19) подставим значения (16)- (18) с учетом (7)-(9) и (5) и в результате окончательно получимблок 23, отсчетно-регистрирующееустройство 24,Арифметический блок 23 включаетв себя шесть регистров 25-30, тривычитателя 31-33, сумматор 34, двацифровьм блока деления 35 и 36,функциональный преобразователь 37,второй задатчик 38 числа и второйдешифратор 39. 1 ОПервый вход сумматора 1 подключенк входной клемме, второй вход сумматора 1 соединен с одноименным входом коммутатора 3 и подключен к первому выходу источника 2 опорного 15напряжения. Выход сумматора 1 соединен с первым входом коммутатора 3,выход которого подключен к входуаналого-цифрового преобразователя 4.Стробирующий вход аналого-цицерового преобразователя 4 соединен свыходом формирователя 9 импульсов.Вход управления коммутатора 3 соединен с выходом триггера 7, счетныйвход которого соединен с входом фор,мирователя 9 импульсов и подключенк выходу элемента И-НЕ 12, с которымсоединен и счетный вход счетчика 14импульсов,Выходы счетчика 14 импульсов под- ЗОключены к управляющим входам арифметического блока 23 и входам дешифратора 17, Выход дешифратора 17 соединен с управляющим входом регистра 22,входом установки нуля триггера 8 и35через первый блок 10 задержки с входом установки нуля счетчика 14 импульсов,Прямой выход второго триггера 8подключен к первому входу элементаИ-НЕ 12, второй вход которого соединен с выходом генератора 5 тактовыхимпульсов, к которому подключен ивход делителя 6 частоты.Выход делителя 6 частоты черезблок 11 задержки соединен с первымвходом элемента И-НЕ 13, второй и третий входы которого подключены соответственно к инверсному выходу триггера 8 и первому выходу переключателя 19 режимов работы,1Вьмод элемента И-НЕ 13 соединенсо счетным входом управляемого делителя 15 частоты, установочные входыкотоРого подключены к выходам задатчика 16 коэффициента деления,Вьмод управляемого делителя 15 частоты соединен с первым входом элемента 101 И-НЕ 18, вьмод которого подключен к входу установки нуля триггера 7 и входу установки единицы триггера 8, второй и третий входы элемента ИЛИ-НЕ 18 соединены с одноименными выходами переключателя 19 режимов работы,Первый вход переключателя 19 режимов работы соединен с вторым выходомисточника 2 опорного напряжения.Второй,третий и пятый входы переключателя 19 режимов работы объединены иподключены к земляной шине. Четвертый вход через кнопку 21 "Пуск" соединен с вторым входом источника 2 опорного напряжения, а шестой вход переключателя 19 режимов работы подключен к клемме 20 внешнего запуска.Входы арифметического блока 23соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя 4, а выходы подключены через регистр 22 к входамотсчетно-регистрирующего устройства 24 и являются цифровыми выходамиустройства для измерения мгновенныхзначений частоты исследуемого электрического сигналаВ арифметическом блоке 23 (фиг.З)одноименные входы регистров 25-30объединены и являются входами блока23. Управляющие входы регистров 25-30соединены соответственно с первогопо шестой выходами дешифратора 39,входы которого являются управляющимивходами арифметического блока 23,Выходы регистров 25-27 и 29 соединены с входами Уменьшаемое вычитателей 31, 32 и 33 соответственно.Выходы регистров 26, 28 и 30 подключены к входам "Вычитаемое" вычитателей 31,32 и 33 соответственно.Выходы вычитателей 31 и 33 соединены с входами сумматора 34, чьи выходы подключены к входам "Делимое" первого цифрового блока 35 деления, входы "Делитель" которого соединены с выходами второго вычитателя 32.Вьмоды цифрового блока 35 деления через функциональный (арккосинусный) преобразователь 37 подключены к одноименным входам "Делимое" второго цифрового блока 36 деления, входыДелитель которого соединены с выходами задатчика 38 числа. Выходы второго цифрового блока 36 деления являются выходами арифметического блока 23.5030Устройство измерения мгновенныхзначений частоты электрического сигнала работает следующим образом.На первый вход сумматорапосту 5пает исследуемый электрический сигнал (1), мгновенное значение частотыкоторого подлежит измерению, На второй вход сумматора 1 с первого выхода источника 2 опорного напряжения 1 Опоступает второй элект 5 ический сигнал (4) постоянного уровня, Выходнойсигнал (5) сумматора 1 поступает напервый вход коммутатора 3, на второйвход которого поступает сигнал (4) 15с первого выхода источника 2 опорного напряжения (фиг,1)Рассмотрим режим одиночного измерения при ручном (РУ) или автоматическом (АУ) управлении работой устройства. Лля этого переключатель 19режимов работы переводят в положение, противоположное указанному нафиг,1, В результате запрещаетсяподача выходных импульсов делителя 6 25частоты на первый вход элементаИЛИ-НЕ 18, Установка триггера 8 всостояние единицы осуществляетсявручную путем нажатия кнопки 21нПуск или автоматически путем подачи импульса, соответствующего логической единице, на клемму 20 внешнего запуска (фиг.1),Управляющие импульсы с второго итретьего выходов переключателя 1935режимов работы поступают через второй (при ручном) или третий (привнешнем управлении) входы элементаИЛИ-НЕ 18 на вход установки единицытриггера 8.40Управляющие импульсы на первыйнход элемента И 531-НЕ 18 не поступают, так как в указанном положении переключателя 19 режимов работы на третий вход элемента И-НЕ 13 подается 45нулевой потенциал, запрещающий прохождение указанных импульсов с выходаделителя 6 частоты,При поступлении разрешающего потенциала с выхода триггера 8 на первыйвход элемента И-НЕ 12 на выходе последовательно появляются тактовые импульсы с генератора 5, Эти импульсыпоступают на счетный вход триггера 7, с помощью которого осуществляет ся управление работой коммутатора 3,В результате сигналы (1) и (4) поочередно поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 4. С помощью 22 оформирователя 9, подключенного к вы-.ходу элемента И-НЕ 12, иэ периодической последовательности прямоугольныхимпульсов формируются строб-импульсы, которые управляют работой аналогоцифрового преобразователя 4. В моменты времени поступления этих импульсовна стробирующий вход аналого-цифрового преобразователя 4 осуществляетсяпреобразование и выдача кода мгновен-.ных значений того или иного электрического сигнала в регистры памятиарифметического блока 23,Управление работой арифметического блока 23 осуществляется путем подачи тактовых импульсов с выхода элемента И-НЕ 12 на счетный вход счетчика 14, выходной код которого и осуществляет управление работой арифметического блока 23,С выходов аналого-цифрового преобразователя 4 на входы арифметического блока 23 поступают коды чисел выражений (7) и ( 13), (8) и ( 14), (9)и (15) .Обработка результатон промежуточных измерений осуществляется н динамическом режиме с поступлением каждого тактового импульса в счетчик 14.Поскольку для осуществления. процесса измерения необходимо всегошесть тактовых импульсов, то послепрохождения шестого импульса счетчик 14 импульсов обнуляется. Это обеспечивается путем дешифрации выходного кода счетчика 14 с помощью дешифратора 17, При поступлении шестогоимпульса на выходе дешифратора 17появляется импульс, который устанавливает второй триггер 8 в нуль и темсамым запрещает прохождение тактовыхимпульсов через элемент И-НЕ 12,С другой стороны, выходной импульсдешифратора 17 поступает на управляющий вход регистра 22 и тем самым,осуществляет запись результата измерения (19) в регистр 22. И, наконец, .через блок 1 О задержки выходной импульс дешифратора 17 поступает навход устанонки нуля счетчика 14,обнуляя его после поступления шеститактовых импульсов. В результате навыходе регистра 22, а следовательно,и на цифровом выходе устройства появится код результата измерения мгновенного значения частоты исследуемого электрического сигнала, С помощьюотсчетно-регистрирукнцего устройст40 КТМам 5о где К, и К коэффициенты деленияделителей 6 и 15 частоты,Г - частота следованиястактовых импульсов.С выхода аналого-цифрового преобразователя 4 коды чисел поступают на объединенные входы регистров 25-30, При поступлении первого тактового импульса в счетчик 14 на первом выходе дешифратора 39 появится сигнал, разрешающий запись числа М; в регистр 25. При поступлении второго тактового импульса в счетчик 14 на втором вьходе дешифратора 39 появится сигнал, разрешающий запись числа 11 150302 ва 24 результат измерения индицирует-, ся в десятиричной системе счисления, При повторном нажатии кнопки 21 "Пуск" процесс измерения аналогично повторяетсяЕсли измерение мгновенных значений частоты исследуемых сигналов необходимо осуществлять автоматически, то для этого устанавливают переключатель 19 режимов работы в положение, показанное на фиг, 1. В результате на третий вход второго элемента И-НЕ 13 поступит разрешающий потенциал. При этом второй и третий вхо ды элемента ИЛИ-НЕ 18 эаземляются.Тактовый импульс с выхода делителя 6 частоты через второй блок 11 задержки и элемент И-НЕ 13 поступит на счетный вход управляемого делите-20 ля 15 частоты, На установочные входы управляемого делителя 15 частоты с выхода эадатчика 16 поступает код коэффициента деления К частоты следования входных импульсов. При К=1 25 процесс измерения будет каждый раэ повторяться, так как через элемент ИЛИ-НЕ 18 на вход установки единицы второго триггера 8 будет поступать задержанный .на время 7 переходных процессов в триггере 8 каждый седьмой тактовый импульс генератора 5.Если коэффициент деления делителя частоты выбрать равным семи или десяти, то процесс измерения при К =1 будет35 повторяться с каждым восьмым или одиннадцатым тактовым импульсом.При К 1 (например, К =К ) про" цесс измерения будет осуществляться через промежутки времени 2) 2М; в регистр 26, До прихода третьего тактового импульса в вычитателе 31 осуществляется вычитание кода числа М;, из кода числа М, а результат вычитания поступает на один из входов сумматора 34.Аналогичным образом при поступлении третьего и четвертого тактовых импульсов в счетчик 14 коды чисел М и М;,записываются в регистры 27 и 28 соответственно. До прихода пятого тактового импульса осуществляется вычитание кода числа Мз иэ кода числа М;+ . Результат вычитания поступает на вход "Делитель" цифрового блока 35 деления.При поступлении в счетчик 14 пятого и шестого тактовых импульсов осуществляется запись кодов чисел М 11, и М; в регистры 29 и 30 соответственно. До прихода следующего импульса осуществляется суммирование кодов чисел М;, и М;э в сумматоре 34. Затем полусумма чисел М;, и М; делится на значение числа М; с помощью первого цифрового блока 35 деления. Результат деления преобразуется в функциональном (арккосинусном) преобразователе 37 матричного типа и поступает на вход "Делимое" второго цифрового блока 36 деления, на вход "Делитель" которого поступает код числа М = 2Т с выхо да задатчика 38.В результате на выходе второго цифрового блока деления, а следовательно, и на выходе арифметического блока появится код результата измерения М , определяемый выражением (19).Исключение аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности, достигаемое путем введения в устройство сумматора, автоматического переключателя, двух триггеров, Формирователя импульсов, элемента И-НЕ, счетчика и дешифратора, повышает точность измерения мгновенных значений частоты электрического сигнала.Формула из о брет ения1. Способ измерения мгновенных значений частоты электрического сигнала, заключающийся в Формированиипериодической последовательности ко= ротких импульсов повышенной частоты и со стабильньв периодом следования, измерении мгновенных значений контро"10 13 1 г 1 (11лируемого электрического сг)ала нмоменты времени следования коротких импульсон и определении частоты и)формуле51 И+ 1(2 Т где Т - период следования коротких о импульсов,г - частота контролируемого электрического сигнала, и И; - результаты (-х измерений, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с 5 целью повышения точности измерения, формируют вторую периодическую последовательность коротких импульсон, сдвинутую относительно первой на интервал н)емени, не превышающий поло вину перп)да их следования, формируют второй электрический сигнал наперед заданного постоянного уровня, на которьпл смешают исследуемый электрический сигнал, измеряют мгновенные зна чения второго электрического сигнала н моменты следования коротких импульсов второй периодической последовательности коротких импульсон, вычитают результаты измерений из соотнет ствующих результатов измерений мгновенных значений смещенного электрического сигнала и полученные результаты промежуточных измерений используют для определения мгновенных значений35 частоты исследуемого электрического сигнала в качестве значений г(;, М, 1 я 2, Устройство для измерения мгно венных значений частоты электрического сигнала, содержап 1 ее генератор тактовых импульсов, первый и второй блоки задержки, последовательно соединенные аналого-цфроной преобразова 45 тель, арифметический блок, регистр и отсчетно-регистрирующее устройство, о т л и ч а ю ще с я тем, что, с цепью повышения точности, в него введены коммутатор, перныйл и второй триггеры, первый и второй элементы И-НЕ, элемент ИЛИ-НЕ, делитель частоты,формирователь импульсов, управляемый делитель частоты, задатчик коэффициента деления, переключатель режимов55 работы, источник опорного напряжения,счетчик импульсон дешифратор и сумматор, первый нхол которого подключен к входной клемме, второй вход с)е.динен с втори входом коммутатора иподключен к первому выходу источникаопорного напряжения, выход сумматора соединен с вторым входом коммутатора, выход которого подключен квходу аналого-цифрового преобразователя, стробирующий вход которого соединен с выходом формирователя импульсон, цепь управления коммутаторасоединена с выходами первого триггера, счетный нхол которого соединенс входом формирователя импульсон, сных)дом первого элемента И-НЕ и сосчетным входом счетчика импульсов,выходы которого подключены к управлян):им входам арифметического блока ик входам дешифратора, выход которогосоединен с управляющим входом регистра, входом установки нуля второготриггера и через первый блок задержки - с вХодом установки нуля счетчика импульсов, прямой выход второготриггера подключен к первому входупервого элемен 1 а И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсон и с входомделителя частоты, выхол которого через второй блок задержки соединен спервым входом нторогс элемента И-НЕ,второй и третий входы которого подкючены соответственно к инверсномувыходу второго триггера и первомувыходу переключателя режимов работы,выход второго элемента И-НЕ соединен со счетным входом управляемого делителя частоты, установочные входыкоторого подключены к выходам задатчика коэффициента деления, выход управляемого делителя частоты соединенс первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого поЛключен к входу установки нуля первого триггера и к вхолу установки елиниць второго триггера, второй и третий входы элемента ИЛИ-НЕ соединены с одноименнымивыходами переключателя режимов работы,перньг нход которого соединен с вторым выходом источника опорного напряжения, а второй, третий и пятыйвходы которого объединены и подключены к земляной шине, четвертый вход через кнопку "Пусксоединен с вторым выходом источникаопорного напряжения, а шестой входпереключателя режимон работы подключен к клемме внешнего запуска.1503022 фи ставитель Ю.Минкинкред М, Ходанич орректор М.Пож едак екарь одписное ытиям при ГКНТ С енно-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 роиэво Заказ 5081/55 Тираж 714 ЗНИИПИ Государственного комитета и 113035, Москва, Ж эобретениям и о Раушская наб.,