Устройство измерения приращения частоты электрических сигналов

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскикСоцкалкстическизРеспублик(51)М. Кл. С 01 й 23/10 О Веудврстюай кеюитвт СССР в аваи вмбрвтвей в открытий(72) Автор изобретения В. И. Емельяненков Специальное конструкторско-технологичесКоебюрос опытным производством при БелорусскоМ орденаТрудового Красного Знамени государственномуниверситете им. В, И. Ленина(54) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПРИРАЩЕНИЯ ЧАСТ 01 Ы ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 1Изобретение относится к обпасти контрольно-измерительной техники и может быть использовано, в частности в измерительных системах с частотными датчиками, в устройствах стабилиэапии частоты.5Известно устройство для измерении приращения частоты, содержащее формирователь, элемент совпадения, переключатель, счетный блок начального значения1 О частоты, схему перезаписи, генератор калиброванной частоты, делитель частоты, блок управления и счетный блок значения приращения частоты. Работа устройства основана на подсчете числа импульсов измеряемых частот в заданном интервале времени 1 Х Однако это устройство имеет большую погрешность измерения из-аа несовпадения границ заданного временного интервала, Кроме того, диапазон частот, приращение которых измеряется, ограничен быстродействием счетных схем,2Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения приращения частоты электрических сигналов, содержащее формирователь мерных интервалов, генератор эталонной последовательности, формирователь импульсов, элемент совпадений, основной и допопнительный вентили, основной н дополнительный счетчики, вычисли тель.В нем регистрируются совпадения импульсов эталонной последовательности и последовательности импульсов неизвестной частоты и формируется временной интервал между импульсами совпадений, Под-: считывается число М з периодов эталонной последовательности и число п совпадений, попавших в сформированный интервал между совпадениями. По подсчитанным значениям й з н о для номинальной УХ и неизвестной Рт, частот определяют искомую разность в Г. Указанное устройство позволяет расширить диапазон частот, приращение которых изб.ряетсяза счет того, что обеспечивает возможность выбора достаточно большого временного интервала между совпадениямипри произвольном сочетании частоти Юн, С 21Одйако выбор совпадений в известномустройстве не является оптимальным,изза чего возможна потеря точности измерений при больших расстройках,Целью изобретения является повыше Оние точности,Указанная цель достигается тем, чтов устройство измерения приращения частоты электрических сигналов, содержащеепоследовательно соединенные генераторэталонной последовательности, первыйвентиль, первый счетчик и вычислитель,последовательно соединенные формирователь мерных интервалов, второй вентиль,второй счетчик, а также формировательимпульсов и элемент сравнения, два входа которого соединены соответственно свыходами формирователя импульсов и генератора эталонной последовательностипри этом второй выход первого счетчикаподключен к первому входу формирователя мерных интервалов, выход которогосоединен с вторым входом первого вентиля, выход второго счетчика подключен квторому входу вычислителя, введены первый и второй элементы ИЛИ и М каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные счетчик каналаэлемент сравнения кодов и первый дополнительный вентиль, а также последова 35тельно соединенные регистр, дешифратори второВ дополнительный вентиль, причемв каждом канале выход счетчика каналасоединен с кодовым входом регистра, выход которого подключен к второму входу элемента сравнения кодов, управляющие входы счетчика канала, регистра и вторые входы первого и второго дополнительных вентилей соединены вместе и подключены в первом канале к выходу эле 5 мента сравнения, во всех каналах, начиная со второго, управляющие входы счетчика, регистра и вторые входы первого и второго дополнительных вентилей соединены с выходом первого дополнительного вентиля предыдущего канала, импульсные 50 входы счетчиков каждого кайала соедине: ны с выходом генератора эталонной последовательности, выходы вторых дополнительных вентилей каждого канала ч первого дополнительного вентиля последнего канала соединены с соответствующими входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен ко второму входу формирователя мерных интервалов, выходы первого и второго дополнительныхвентилей первого канала соединены соот.ветственно с первым и вторым входамивторого элемента ИЛИ, выход которогоподключен к второму входу второго вентиля,На фиг, 1 представлена структурнаясхема устройства; на фиг. 2 - временнаядиаграмма, поясняющая работу устройства.Устройство содержит генератор 1 эталонной последовательности, формирователь2 импульсов, элемент 3 сравнения, формирователь 4 мерных интервалов, первый, вентиль 5, первый счетчик 6 вычислитель 7, второй вентиль 8, второй счетчик9, второй элемент ИЛИ 10, первый элемент ИЛИ 11, М-каналов, в каждый изкоторых входит счетчик 12 канала, регистр 13, элемент 14 сравнения кодов,дешифратор 15, первый дополнительныйвентиль 16 и второй дополнительныйвентиль 17,Устройство работает следующим образом.В каждом канале счетчики 12 каналаподсчитывают поступающие на их импульсные входы импульсы с генератора 1 эталонной последовательности между моментами прихода импульсов на управляющиевходы счетчиков 12 регистров 13 и вторые входы вентилей 16 и 17, В моментприхода импульса на управляющий входсчетчика 12, его состояние фиксируется,Элемент 14 сравнения кодов сравниваеткод счетчика 1 2 и код регистра 13. Если в этот момент код счетчика 12 больше (или меньше) кода регистра 13, тоэлемент 14 открывает вентиль 16 и пропускает импульс, поступающий в это время на его первый вход. Одновременнодешифратор 15 анализирует код регистра13, и, если он больше заданного значения М то дешифратор 15 открывает вентиль 17 и пропускает импульс, поступающий на первый вход этого вентиля,По окончании действия импульсов (например, по их заднему фронту), поступающихна управляющие входы счетчика 12 и регистра 13, содержимое счетчика 12 переписывается в регистр 13, а сам счетчик обнуляется. После этого процесс повторяется,Таким образом, в каждом канале входяшая последовательность импульсов, поступающая в него не управляющие входысчетчика 12 и регистра 13, а также навторые входы вентилей 16 и 17, преоб5 9800разуется, На выходе вентиля 16 формируется новая последовательность, составленная из тех импульсов входящей последовательности, которые образуют начальные (или конечные) границы таких интервалов между ближайшими импульсами,этой последовательности, длительностькоторых больше (или меньше) длительности предшествующих им аналогичныхинтервалов, Новая последовательность вы-обранных импульсов поступает в следующий канал. При этом для первого каналавходящей является последовательностьимпульсов совпадений, сформированныхэлементом 3 из совпадающих импульсовэталонной частоты Г э и неизвестнойчастоты Ехпоступающих на его первыйи второй входы, соответственно, с выходом генератора 1 и формирователя 2,В свою очередь, последовательность 20импульсов, выбранных в первом канале,через его вентиль 16 поступает во второй канал и уже для него является входящей и т. д.Очевидно, что временной. интервал меж 5ду импульсами каждой новой последовательности больше, чем интервал междуимпульсами входящей последовательности,,из которой формируется новая. Поэтомув части каналов, начиная с того, для ко Оторого временные интервалы между импульсами входящей последовательностидостаточно велики, коды на входах дешифраторов 15 превышают заданное значение Й 5.В этих каналах помимо преобразования входящие последовательностипропускаются через вентили 17 на соответствующие входы элемента .ИЛИ 11,а через него на импульсный вход формирователя 4 мерных интервалов, Если нив одном из каналов вентили 17 не открыты, то на элемент ИЛИ 11 и через него на формирователь 4 мерных инерваловпоступают импульсы с выхода вентиля 16последнего канала. На,элемент ИЛИ 10поступают импульсы с выходов вентилей16 и 17 первого канала, а через негопередаются на вход вентиля 8,формирователь 4 мерных интерваловпо первому пришедшему на него импульсу открывает, а по о-закрывает вентили5 и 8. При этом счетчик 6 подсчитываетчисло Ч з импульсов, прошедших черезвентиль 5. Когда содержимое счетчикаЯ превысит наперед задаваемое число55ос него на формирователь мерных интервалов 4 подается сигнал, разрешающий по одному из последующих импульсов, поступающих на импульсный вход,12 6закрыть вентили 5 и 8, В это время счетчик 9 подсчитвает число п импульсов, прошедших через вентиль 8, В первом цикле преобразования, соответствующего значению Е 1 исследуемой частоты, подсчитанные счетчиками 6 и 9 числа, соответственно й и .п,у момент закрывания вентилей 5 и 8 запоминаются вычислителем 7. При подаче частотывсе операции повторяются, и новые коды йсчетчика 6 и п счетчика 9, соответствующие частоте Ехв момент закрытия вентилей 5 и 8, поступают на вычислитель 7, который определяет приращение частоты ь У= Ук-Ях по формулепй 5- п М5 Е:(1)У Э 1 32 где 1 - номер канала с которого снимается последовательность выбранных импульсов, Т- период эталонной последовательности.Работа устройства поясняется с помощью диаграммы, представленной на фиг. 2, На диаграмме последовательности разбиты на участки. Импульсы эталонной, назовем ее первой, последовательности с периодом Тэ= 1 Ы изображены на трех участках а, г, ж. Для удобства определения импульсы эталонной последовательности пронумерованы. Аналогичным образом на участках б, д, з представлены импульсы второй последовательности с периодом Т= 1/ Ех. Совпадения импульсов первой и второй последовательностей образуют после довательность импульсов совпадений. Импульсы совпадений группируются в пакеты. Временные интервалы между импульсами входящими в пакеты, равны Тт,е. величине периода первой последовательности, Между пакетами образуютсяинтервалы, имеющие длительность, превышаюшую величину 2 Т, Это позволяет впервом канале из йсходной последовательности совпадений выделить либо первые,либо последние импульсы пакетов импульсов совпадений, так как эти импульсыобразуют границы интервалов, дпи тельность которых отличается от длительности соседних с ними интервалов,В частности на диаграмме (фиг, 2 в, и)это импульсы с номерами О, 4, 8, 11,15, 18 и .22.В произвольном случае совпадения реализуются не при одинаковом взаимномрасположении совпадающих импульсовпервой и второй последовательностей.7 98001Если принять за начальное состояниевзаимное положение импульсов первой и второй последовательностей некоторого произвольного совпадения, то в следующих совпадениях наблюдается смешение совпадающих импульсов по сравнению с начальным состоянием, Например, если на диаграмме (фиг, 2) принять за начальное Состбяние совпадение, реализуемое имдульсом 0 первой последователь ности, то импульс 4, реализующий первое и = 1 совпадение за начальным, имеет смешение ФТ", импульс 8, реализующий второе и: 2 совпадение имеет смешение д 7 (2)=2 д 7% т, д,15Очевидно, что дпя первого совпадения или дпя ближайших совпадений, имеет место равенствоМ" Т = Мхтс+д"ТсЭ Эгогде М" и Н - число периодов, соответственно, первой и второй последовательностей между ближайшими совпадейиями, а сРТ погрешность задания интервала между совпадениями,Учитывая, что для ближайших совпадений имеет место равенствосом второй последовательности, уменьшается на такую же величину, Очевидно, что существует такое число, п: 0 при котором выполняется неравенство 1 дТ з, ТЭ-Т,из которого следует неравенство т.ЕКТ, ЪТ,(7) логичных интервалов,Но это означает, что импульс первой последовательности, имеющий номер ИР, также совпадает с импульсом второй последовательности. При этом временной интервал между Р- м совпадением, реализованном на импульсе первой последовательности с номером М" 1-4, а не с но 1 Эмером МЭ 0 и И)-м совпадением, реализованном на И 1 ( Й)-м импульсеЭа 1 первой последовательности, равен 7 о-Т-1т О С в не Тс- М Т,как это имеет место дпяс Эостальных интервалов между совпадениями, т.е, имеет место интервалы между совпадениями, длительность которого отличается от длительности соседних анаЕсли совпадение с номером М Э 0-1 З 0 принять за начальное и вновь продапжитьаналогичный анализ, то можно получить очередной интервал между совпадениями, дпительность которого отличается от соседних, таким образом, получается последовательность указанных интервалов, 35имеющих длительности, отличные от длительностей аналогичных соседних с ними(,4) лДля произвольного совпадения 6 имеет место следующее соотношениехй (и):Н. и: ", ,(5)Следовательно число й 1(и) определяет и номер импульса первой последовательности, на котором реализовалась и-е совпадение.В первом канале выделяется последовательность импульсов совпадений, имеющих номера И 1 (ь ). Эта последовательность поступает во второй канала.Как уже отмечалось, дпя каждого сов 50 падения Й(п),следующего за начальным, с увеличением номера и возрастает и величина смещения дТ (п)=п сТ В связи с тем, что смешение дТ" (и) увеличивается, интервал между тем импульсом первой последовательности, котЬрый имеет номер й Э (п)и предшествует импульсу совпадения, и ближайшим к нему импульинтервалов.Совпадение и = 1, реализуемое 4-мимпульсом имеет смещение дТо,совпадение и=2 имеет смещение 2 УТ" и оно реализовано на 8-м импульсе. Однако совпадение и=3 реализовано не на 12-м импульсе 1 как этого следовало ожидать, а на 11-м. При этом реализуется интера %вал между совпадениями, равный Т = ЗТ 0, а не Т 1:47,как это имеет место дпя предшествующих совпадений. можно записать после подстановки (3)и (2),1 Тх 1 ТЙ- - ", т тТ-ТЭ ХХ Во втором канале из последовательности импульсов, входяших в него, выделяются те, которые образуют начальные (или конечные) границы интервалов Т между совпадениями, длительность%которых отличается от длительности соседних интервалов,Временной интервал между импульсами, выделяемыми вторым каналом, определяется следующим образом, Нв основа(21) д т-"1 ;1 СУТ 1- сС Э, (11) 25 40 Э са Э 2 Ха Х 245 Аналогичным образом погрешностьквантования для второго канала определиется по зависимости (10) и равна Х 1 91 1(16) (17) При 0= и первые интервалы как дляпоследовательностей, сформированных впервом канале, так и для последовательМ =ИЕ=к Э ДТ) с Э ХЭ Х (, )сАналогичным образом для произвольного 1-го канала получается следуюшая зависимость где М- число периодов эталонной последовательности между импульсами, выделенными в 1-м канале,УТ "исРТ -ве- Зо личины смешений совпадений, соответствующие последовательностям, выделяемым в (1-1)-м и (2-2)-м каналах,Для совпадений, выделяемых 1-м каналом, имеют место соотношения 35 Т Й = ТХ 1 ЙХ 1+с)Т , (12) Э 1- х х (1 З) или приближенные равенства Лля этих совпадений справедливы со- отношения где п 1, и - числа интервалов между совпадениями, выделяемыми в первом канале и содержащиеся в мерном интервалемежду импульсами, выделенными в 1-мканале. 12 10Учитывая, что приращение периода измеряемой частоты определяется формулой а также подставляя (16) и (17), соответственно, в (14) и (15), можно записать Т й =Т (М п.Э Э 1 К 1 1 Э 1 1 ) (19) Т (к:Тк ааспа)сптскка (20) Разделив левые и правые части уравнения (20) на левые и правые части уравнения (19), можно получить одно уравнение Э 2 2 х 2. Х 2М +и ГХТ йа + и) После преобразований получается расчетное соотношение (1),Сравным погрешность квантования,возникающую при использовании последовательностей, формируемых первым и вторым каналами,Для первого канала на основании соотношения (5) крутизна преобразования бопределяется следующим равенством сай с) ( пТ) пкасаТК с)ТК та-тК / (Та-ТК) Погрешность квантования определяется как величина изменения Т)( при изменении й" на единицу и может быть принята как значение ВТ при д(к(1=1, После сподстановки в равенство (22), полу- чаетсяностей, сформированных во втором канале, являются одинаковыми. Однако погрейность квантования в случае использования второго канала меньше, чем погрешность квантования первого канала. С увеличением числа канадов погрешность уменьшается.Таким образом, посредством выделения импульсов совпадения последовательной цепочкой каналов достигается О уменьшение погрешности квантования. За счет этого предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерения по сравнению с известным,ф ормула из обретенияУстройство измерения приращения частоты электрических сигналов, содержащее последовательно соединенные генера тор эталонной последовательности, первый вентиль, первый счетчик и вычислитель, последовательно соединенные фор мирователь мерных интервалов, второй вентиль, второй счетчик, а также форми рователь импульсов и элемент сравнения, два входа которого соединены соответственно с выходами формирователя импульсов и генератора эталонной поспедовательности, при этом второй выход первого зО счетчика подключен к первому входу формирователя. мерных интервалов, выход которого соединен с вторым входом первого вентиля, выход второго счетчика подключен к второму входу вычислителя, о т-З 5 л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первый и второй элементы ИЛИ и М каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные счетчик 40 канала, элемент сравнения кодов и первый дополнительный вентиль, а также последовательно соединенные регистр, дешифратор и второй дополнительный вентиль, причем в каждом канале выход счетчика канала соединен с кодовым входомрегистра, выход которого подключен квторому входу элемента сравнения кодов,управляющие входы счетчика канала, регистра и вторые входы первого и второго дополнительных вентилей соединенывместеи подключены в первом каналек выходу элемента сравнения, во всехканалах, начиная со второго управляющиевходы счетчика, регистра и вторые входы первого и второго дополнительныхвентилей соединены с выходом первогодополнительного вентиля предыдущего канала, импульсные входы счетчиков каждого канала соединены с выходом генератора эталонной последовательности, выходы вторых дополнительных вентилейкаждого канала и первого дополнительного вентиля последнего канала соединеныс соответствующими входами первого элемента ИЛИ, выход которого подключен квторому входу формирователя мерных интервалов) выходы первого и второго дополнительных вентилей первого канала соединены соответственно с первым и вторымвходами второго элемента ИЛИ) выходкоторого подключен к второму входу второго вентиля.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР% 530260, кл, С) 01 Я 23/10) 1974,2, Авторское свидетельство СССРМ 765741) кл, С) 01 й 23/10)18,09,78,