Цифровое устройство для измерения частоты

.Я 01 й 23/00 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИ СТВУ счетчикоче ского виг 3924183,75.етельство ССС 23/00 т 1980.(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством при Белорусском государственном университете им. В,И.Ленина и Белорус ский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. В.И.Ленина(54)(57) ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ, содержащее первыйформирователь, входом подключенныйк шине сигнала, эталонный генератор,выходом соединенный с входом второгоформирователя, первую и вторую линиизадержки, первый и второй счетчики,.а также триггер, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены последовательно соединенные стробоскопический смеситель, усилитель-расширитель, аналого-цифровой преобразователь, а также два регистра сдвига,шесть счетчиков, четыре регистра,блок вычислений, два блока вычитания,три блока сравнения кодов, сумматорпо модулю два, дешифратор нуля, четыре элемента И, причем первый входстробоскопического смесителя соединен с выходом первого формирователяи со счетными входами первого, второго,. третьего, четвертого и пятого в, а второй вход стробоскописмесителя соединен с выходом второго формирователя, управляющий вход аналого-цифрового преобразователя подключен к управляющему входу первого регистра сдвига, к счетным входам шестого, седьмого и восьмого счетчиков, к первым входам первого, второго и третьего элементов И и через первую линию задержки - к управляющему входу второго регистра сд а и к выходу эталонного генератора, а цифровые выходы соединены с информационными входами первого регистра сдвига, с первыми информационными входами блока вычисления и с первыИ ми входами первого и второго блокбй сравнения кодов и первого блока вычитания, выходами соединенного с первыми выходами третьего блока срав нения кодов, вторые входы которого под Ф ключены к выходам дешифратора нуля иС" к первым выходам вТорого блока вычитания, второй выход второго блока вычитания соединен с первым входом сумматора по модулю два, с первыми управ ляющими входами второго и третьего регистров и с информационными входа ми четвертого регистра, первые входы второго блока вычитания объединены с первыми информационными входами второго и третьего рЕгистров, вторыми вхо. дами первого блока вычитания и с первы. ми выходами первого регистр сдвига, а 3 вторые входы - с вторыми информационными входами второго и третье го регистров и вторыми выходами первого регистра сдвига, при этом на выход второго регистра сдвига подан уровень логической "1", его первый1114966 5 выход объединен с первыми управляющими входами первого, третьего и шестого счетчиков, второй выход - с первыми управляющими входами второго,четвертого, седьмого счетчиков и свторым управляющим входом третьегосчетчика, а третий - с вторыми входами второго и третьего элементов И,третьи входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному вы-ходам четвертого элемента И,. первыйи второй входы которого соединены синверсными выходами соответственнотриггера и дешифратора нуля, а трвтий - с выходом третьего блока сравнения кодов, причем выход второгоэлемента И объединен с управляющимвходом четвертого регистра, с третьим управляющим входом третьего счетчика; с первым управляющим входомпервого регистра, с вторыми управляющими .входами второго и третьего регистров, первого, шестого счетчикови с первыми управляющими входами пятого и восьмого счетчиков и с,5 -входом триггера, выход третьего элемента И объединен с четвертым управляющим входом третьего счетчика, с третьими управляющими входами первого ишестого счетчиков и с вторыми управляющими входами второго, четвертогои седьмого счетчиков, при этом выходы последних соединены с информационИзобретение относится к области измерительной и импульсной техники и может быть использовано для измерения частоты периодических электрических сигналовИзвестен цифровой частотомер, содержащий эталонный генератор, формирователь импульсов, схемы совпадений, триггеры, ключи и счетчики. Работа устройства основана Иа подсчете числа периодов неизвестной и эталонной частот в мерном интервале, границы которых образованы ближайшими импульсами совпадений сравниваемых час. тот.Однако данное устройство имеет большую погрешность измерения в свяными входами соответственна первого, третьего и шестого счетчиков, которые выходами подключены к информационным входам соответственно пятого счетчика, первого регистра и восьмого счетчика, выходы же последних соединены соответственно с вторыми, третьими и четвертыми информационными входами блока вычислений, пятые информационные входы которого подключены к выходам второго регистра и к вторым входам первого блока сравнения кодов, а шестые информационные входы - к выходам третьего регистра и к вторым входам второго блока сравнения кодов, выходом соединенного с вторым входом первого элемента И, к третьему входу которого подключен выход первого блока сравнения кодов, к четвертому - инверсный выход сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом четвертого регистра, а к пятому входу первого элемента И подключены объединенные прямой выход триггера и вторые управляющие входы пятого и восьмого счетчиков, третьи управляющие входы которых объединены с К -входом триггера, с вторым управляющим входом первого регистра, с управляющим входом блока вычислений и через вторую линию задержки подключены к выходу первого элемента И.,зи с тем, что импульсы сравниваемых последовательностей на выходах формирователей имеют конечную длительность, вследствие чего на выходе схем совпадений реализуются пакеты импульсов совпадений, и мерный интервал при этом может формироваться по ближайшим импульсам совпадений, входящим в один пакет.30 Наиболее близким к изобретению является цифровое устройство для сличения частот, содержащее первый формирователь, входом соединенный с шиной сигнала с неизвестной частотой, эталонный генератор, выходом подключенный к второму формирователю, первую и, вторую линию задержки, первый1114966 3и второй счетчики, триггер, а такжеэлемент совпадений, ключи и триггеры,В этом устройстве устроена возможность получения погрешности измеренияиз-за формирования мерного интервалапо ближайшим импульсам совпадений,входящим в один пакет 2 .Однако известное устройство такжеимеет погрешность измерения частоты,вызванную тем,что импульсы совпадений, образующие границы мерного интервала, могут являться результатомнеточного совмещения сформированныхимпульсов эталонного генератора исигнала с неизвестной частотой. Вслед ствие этого в мерный интервал укладывается в общем случае не целое числопериодов одной из сличаемых последовательностей, в то время как результат измерений определяется по целому 20числу.Целью изобретения является повышение точности измерений,Поставленная цель достигается тем, что в цифровое устройство для измере 25, ния частоты, содержащее первый формирователь, входом подключенный к шине сигнала, эталонный генератор, выходом соединенный с входом второго формирователя, первую и вторую линии задержки, первый и второй счетчики, а также триггер, введены последовательно соединенные стробоскопический смеситель, усилитель-расширитель, аналого-цифровой преобразователь, а 35 также два регистра сдвига, шесть счетчиков, четыре регистра, блок вычислений, два блока вычитания, три блока сравнения кодов, сумматор по модулю два, дешифратор нуля, четыре элемен та И, причем первый вход стробоскопи ческого смесителя соединен с выходом первого формирователя и со счетными входами первого, второго, третьего, четвертого и пятого счетчиков, а 45 второй вход стробоскопического смесителя соединен с выходом второго формирователя, управляющий вход аналого-цифрового преобразователя подключен к управляющему входу первого ре гистра сдвига, к счетным входам шестого, седьмого и восьмого счетчиков, к первым входам первого, второго и третьего элементов И и через первую линию задержки - к управляющему вхо ду второго регистра сдвига и к выходу эталонного генератора, а цифровые выходы соединены с информационными входами первого регистра сдвига, спервыми информационными входами блока вычислений и с первыми входами пер.вого, второго блоков сравнения кодови первого блока вычитания, выходамисоединенного с первыми входами третьего блока сравнения кодов, вторыевходы которого подключены к входамдешифратора нуля и к первым выходамвторого блока вычитания, второй выходвторого блока вычитания соединен спервым входом сумматора по модулю два,с первыми управляющими входами второго и третьего регистров и с информационным входом четвертого регистра,первые входы второго блока вычитанияобъединены с первыми информационными входами второго и третьего регистров, вторыми входами первого блокавычитания и с первыми выходами йервого регистра сдвига, а вторые входы -с вторыми информационными входамивторого и третьего регистров и вторыми выходами первого реристра сдвига,при этом на вход второго регистрасдвига подан уровень логической "1",его первый выход объединен с первымиуправляющими входами первоготретьего и шестого счетчиков, второй выход "с первыми управляющими входами второго, четвертого, седьмого счетчикови с вторым управляющим входом третьего счетчика, а третий - с вторымивходами второго и третьего элементовИ, третьи входы которых подключенысоответственно к прямому и инверсному выходам четвертого элемента И,первый и второй входы которого соединены с инверсными выходами соответственно триггера и дешифратора нуля,а третий - с выходом третьего блокасравнения кодов, причем выход второго элемениа И объединен с управляющимвходом четвертого регистра, с третьим управляющим входом третьего счетчика, с первым управляющим входомпервого регистра, с вторыми управляющими входами второго и третьего регист.ров, первого, шестого счетчиков ипервыми управляющими входами пятогои восьмого счетчиков и с 5 -входомтриггера, выход третьего элементаИ объединен с четвертым управляющим входом третьего счетчика, с третьимиуправляющими входами первого и шестого счетчиков и с вторыми управлякщими входами второго, четвертого и седь;мого счетчиков, при этом выходы пос-, 1114966 ледних соединены с информационнымивходами соответственно первого,третьего и шестого счетчиков, которые выходами подключены к информационным входам соответственно пятого счетчика, первого регистра и восьмого счетчика, выходы же последнихсоединены соответственно с вторыми,третьими и четвертыми информационными входами блока вычислений, пятыеинформационные входы которого подключены к выходам второго регистра и квторым входам первого блока сравнениякодов, а шестые информационные входы - к выходам третьего регистра и15к вторым входам второго блока сравнения кодов, выходом соединенногос вторым входом первого элемента И,к третьему входу которого подключенвыход первого блока сравнения кодов,к четвертому - инверсный выход сумматора по модулю два, второй вход которого соединен с выходом четвертогопегистра, а к пятому входу первогоэлемента И подключены объединенные25прямой выход триггера и вторые управляющие входы пятого и восьмого счетчиков, третьи управляющие входы которых объединены с К -входом триггера,с вторым управляющим входом первогорегистра, с управляющим входом блокавычислений и через вторую линию задержки подключены к выходу первогоэлемента И.На фиг. 1 приведена структурная 35схема устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма работы цифрового устройства для измерения частоты, поясняющая последовательность выполненияопераций и взаимодействие блоков. 40Цифровое устройство для измерения частоты содержит (фиг. 1) первый формирователь 1, генератор 2 эталонный, второй формирователь 3, стробоскопический смеситель 4, усилитель 45 расширитель 5, преобразователь 6 аналого-цифровой (АЦП), первую линию 7 задержки, первый регистр 8 сдвига, второй регистр 9 сдвига, первый восьмой счетчики 10-17 соответственно, первый регистр 18, второй регистр 19, первый блок 20 вычитания, третий ре" гистр 21, блок 22 вычислений, четвертый регистр 23, второй блок 24 вычитания, первый блок 25 сравнения кодов, сумматор 26 по модулю два, второй и третий блоки 27 и 28 сравнения кодов, дешифратор 29 нуля, первый элемент И 30, триггер 31, второй элементИ 32, вторую линию 33 задержки, третий и четвертый элементы И 34 и 35.Вход формирователя 1 подключен к шинеисследуемого сигнала. Выход генератора 2 соединен с входом формирователя3. Первый вход стробоскопическогосмесителя 4 соединен с выходом формирователя 1 и со счетными входами счет.чиков 10-14, второй вход - с выходомформирователя 3, а выход через усилитель-расширитель 5 - с информационным .входом АЦП 6. Управляющий вход АЦП 6подключен к управляющему входу первого регистра 8 сдвига, к счетным вхо-дам счетчиков 15-17, к первым входамэлементов И 30, 32 и 34 и через линию7 задержки - к управляющему входувторого регистра 9 сдвига и к выходугенератора 2, а цифровые входы - кинформационным входам первого регистра 8 сдвига, к первым информационнымвходам блока 22 вычислений и к первымвходам первого и второго блоков 25 и27 сравнения кодов и первого блока 20вычитания. Выходы последнего соединены с первыми входами третьего блока28 сравнения кодов, вторые входы которого подключены к входам дешифратора 29 нуля и к первым выходам второгоблока 24 вычитания. Второй выход блока 24 соединен с первым входом сумматора 26 по модулю два, с первыми управляющими входами регистров 19,и21 и с информационным входом регистра 23, Первые входы блока 24 вычитания объединены с вторыми информационными входами блока 20 вычитанияи с первыми выходами регистра 8сдвига, а вторые входы - с вторымиинформационными входами регистров19, 21 и вторыми выходами регистра 8сдвига. При этом на вход регистра 9сдвига подан уровень логической "1".Его первый выход объединен с первымиуправляющими входами счетчиков 10,12 и 15, второй выход - с первымиуправляющими входами счетчиков 11,13 и 16 с вторым управляющим входомсчетчика 12, а третий - с вторымивходами элементов И 32 и 34, третьивходы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходамэлемента И 35, первый и второй входыкоторого соединены с инверсными выходами соответственно триггера 31 идешифратора 29 нуля, а третий - свыходом блока 28 сравнения кодов. Вы(иг код элемента И 32 объединен с управляющим входом регистра 23, с третьим управляющим входом счетчика 12, с вторыми, управляющими входами регистров 18, 19 и 21, счетчиков 10, 15 и с первыми управляющими входами счетчиков 14 и 17, и с 5 -входом триггера 3 1. Выход элемента И 34 объединен с четвертым управляющим входом счетчика 12, с третьими управляющими вхо. дами счетчиков 10 и 15 и с вторыми управляющими входами счетчиков 11, 13 и 16. Выходы последних соединены с информационными входами счетчиков соответственно 10, 12 и 15, которые выходами подключены к информационным входам соответственно счетчика 14,регистра 18 и счетчика 17, выходыкоторых соединены соответственно свторыми, третьими и четвертыми информационными входами блока 22 вычислений, пятые информационные входы которого подключены к выходам регистра19 и к вторым входам блока 25 сравнения кодов, а шестые - к выходам регистра 21 и к вторым входам блока27 сравнения кодов, выходом соединенного с вторым входом элемента И 30.К третьему входу элемента И 30 подключен выход блока 25 сравнения кодов, к четвертому - инверсный выходсумматора 26 по модулю два, второйвход которого соединен с выходом регистра 23, к пятому входу элементаИ 30 подключены объединенные прямойвыход триггера 3 1 и вторые управляющие входы счетчиков 14 и 17, третьиуправляющие входы которых объединены с 1 -входом триггера 31, с вторымуправляющим входом регистра 18 и управляющим входом блока 22 вычисленийи через линию 33 задержки подключенык выходу элемента И 30. Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии аппаратура АЦП 6, регистры 8 и 9 сдвига, счетчики 10 - 17, регистры 18, 19, 21, 23 и блок 22 вычислений, триггер 31 установлены в "0". На вход формирователя 1 подают сигнал с неизвестной частотойФормирователь 1 формирует исследуемую последовательность импульсов, имеющих на фронтах линейные участки и следующих с частотой исследуемого сигнала (фиг. 2 Ь ). Эти импульсы поступают на первый вход стробоскопического смесителя 4. Ча 20 25 30 35 40 второй вход последнего через формирователь 3 строб-импульсов подаются импульсы генератора 2 (фиг. 2 ц ).Выборки с выхода смесителя 4 (фиг.2) усиливаются и расширяются до необходимой длительности усилителем-расширителем 5 и поступают на вход АЦП 6, который по переднему фронту каждого импульса генератора 2 осуществляет преобразование амплитуды выборки в цифровой код, Этот код поступает на информационные входы регистра 8 сдвига и записывается в его .первые разряды. Запись и сдвиг осуществляются по заднему фронту каждого импульса генератора 2. Линия 7 необходима для компенсации задержки в формирователе 3, смесителе 4, усилителе-расширителе 5, а также в регистре 9 сдвига.Устройство выбирает первую и вторую выборки - две следующих подряд выборки линейного участка фронта расширенного сигнала, для чего непрерыв-, но анализирует три следующих подряд выборки и, О и От . Код выборки с амплитудой О хранится во вторых разрядах регистра 8 сдвига, код О" в первых, код О. имеется на выходе АЦП 6. Выполнение условий М(=ДОг гЛЕ Ьи,=и"-и;Ьог=ит-и"/ является признаком того, что выборки с амплитудами О, И" лежат на линейном участке фронта расширенного сигнала. Последовательный анализ поступаю. щих выборок позволяет выявить выборки, удовлетворяющие условиям (1), которые и принимают в качестве первой и второй выборок с амплитудами Ии И соответственно, причем в качестве первой всегда принимают ту из выборок, амплитуда которой меньше, т.е. Затем устройство переходит в режимвыбора третьей выборки,с амплитудойИ, если в качестве которой принимают( выборку, лежащую на том же фронте, что и первая и вторая, но следующего расширенного сигнала, амплитуда которой удовлетворяет условиюПодсчитав число 8 о периодов эталонной и число Ня периодов исследуемой последовательностей в мерном интер вале, в качестве границ которого выбираются первая и третья выборки, а также подсчитав число у периодов исследуемой последовательности в интервале между первой и второй вы борками, устройствО рассчитывает период Т следования импульсов иссле" дуемой последовательности по формулам15в -ц,Т (Ноо 1 ц, ц 4 х 1 Тк=8 слц Йх 2О-,Ол 1 о 1Н,- г "(20Го "о 1 оТ:,ЕСЛИ К 2ноХ 2 01 ц25где Т . - период следования импульсовэталонного генератора 2.После этого устройство автоматически переходит к новому циклу измере ний, т.е. выбирает новые первую и вторую выборки, причем анализ амплитуд поступающих выборок на выполнение условий (1) ведется и в режиме З 5 выбора третьей выборки в предыдущем . цикле измерений, а также выбираетновую третью выборку. Таким образом, описанные операции циклически повторяются. Результаты ряда последова тельных измерений Т 1 могут быть использованы для накопления и статистического усреднения измеряемой величины Т, что даст возможность еще более повысить точность измерений. 45Рассмотрим более подробно работу блоков предлагаемого устройства.По переднему фронту первого после момента включения импульса генератора 2 в первый разряд регистра 9 сдвига 50 заносится "1", При этом на первых управляющих входах счетчиков 10,. 12 и 15 появляется сигнал, разрешающийсчет.По переднему фронту второго импуль 55са генератора 2 "1" появляется и вовтором разряде регистра 9 сдвига.При этом разрешается работа счетчиков с 11, 13, 16 и запрещается работа счетчика 12, в котором при этом оказывается подсчитанным число Мя,2 импульсов исследуемой последовательности в интервале времени между первым и вторым . импульсами генератора 2.Для получения правильного результата измерений необходимо выбрать две следующих подряд выборки, лежащие на линейном участке фронта расширенного сигнала. Эту операцию осуществляют регистр 8, блоки 26, 4, 28 дешифратора 29, триггер 3 1, элементи 32, 34 и 35. После третьего и всех последующих импульсов генератора 2 во всех трех разрядах регистра 9 сдвига имеется "1", вследствие чего на вторых входах элементов 32 и 34 появляется потенциал, разрешающий анализ кода амплитуд трех последовательных выборок - ц, записанного во вторых разрядах регистра 8 сдвига, О записан ного в первых разрядах регистра 8 сдвига и От - амплитуды текущей выборки на выходе АЦП 6, На первых выходах блока 24 вычитания все время имеется разность ЕО, = 0" - О , на втором его выходе - знак разности Ь О 1, а на выходах блока 20 формируется раз ность Ь О, = 0 - 1" . В случае, если условия (1) не выполняются, по импульсу генератора 2 производится пере. запись содержимого счетчика 11 в счет чик 10, содержимого счетчика 13 в счетчик 12, а счетчика 16 - в счетчик 15, так как становится очевидным, что выборка с амплитудой О не лежит на линейном участке фронта расширенного сигнала, и величины, подсчитанные счетчиками 10, 12 и 15, для расче тов не потребуется. После перезаписи (по заднему фронту импульса генератора 2) счетчики 11, 13 и 16 устанавливаются в "0" и начинают работу сначала. Аналогичные действия производятся, если условия (1) выполняются, но устройство уже находится в режиме выбора третьей выборки, т,е. первая и вторая выборки с амплитудами О и О,выбраны и устройство ожидает появления выборки с амплитудой, удовлетворяющей условию (2) и лежащей на том же фронте расширенного сигнала, что первая и вторая выборки.Только при выполнении условий (1) и отсутствии признака режима выбора третьей выборки, т.е. если триггер 3 1 установлен в "О", по переднемуфронту сигнала с выхода элемента , И 32 производится перезапись информа 1. ции из счетчиков 10, 12 и 15 соответственно в счетчик 14, регистр 18 и в счетчик 17, триггер 31 устанавливается в "1", что является призна- кам работы устройства в режиме выбора третьей выборки. Одновременно син нал с прямого выхода триггера 31 разрешает работу счетчиков 14 и 17. 10 По заднему фронту сигнала с выхода элемента 32 производится сброссчетчиков 10, 12 и 15, Кроме того, в регистр 23 записывается знак разности М, , Этот же знак управляет 15 записью информации в регистры 19 и 21. Если ЬО ) О, то в регистр 19 запйсывается код выборки из вторых разрядов регистра 8 сдвига, а в регистр 21 - из первых, Если же аО ( О, 20 то в регистр 19 записывается код выборки из первых разрядов регистра 8 сдвига, а в регистр 21 - из вторых.Регистр 19 является блоком хранения первой выборки с амплитудой О, , ре гистр 21 - блок хранения второй выбор ки с амплитудой 11В режиме выборатретьей выборки дополнительно производятся следующие действия. По каждому импульсу генератора 2 проверяются: лежит ли текущая выборка с амплитудой О ., код которой имеется в данный момент вре-. мени на выходе АЦП 6, на том же фрон те расширенного сигнала, что первая35 и вторая выборки, для чего сумматором 26 проверяется, одинаковы ли знаки Е О, (который хранится в регистре 23) и 4 О,= О" - О, имеющийся в настоящий момент на втором выходе блока 24 вычитания, удовлетворяет ли 11 условию (2), которое проверяютблоки 25, 27 сравнения кодов и элемент И 30,,Если текущая выборка лежит натом же фронте расширенного сигнала,что и первая и вторая выборки, ипиее амплитуда О не удовлетворяет условию (2), устройство остается в режиме выбора третьей выборки. Если жетекущая выборка удовлетворяет требо"ваниям к третьей выборке, то сигналс выхода элемента И 30 через линию33 задержки ( С,1Тц , где . цдлительность импульса генератора 2,так как счетчики 10-17 ведут счет позаднему фронту поступающих на ихвходы импульсов), выключает счетчик14, в котором оказывается подсчитанным число Й , выключает счетчик17, в котором подсчитано число 00 рпроизводит считывание в блок 22 вычислений информации из регистров 21,= О с выхода АЦП 6, устанавливаеттриггер 31 в "0", т.е. снимает признак "Выбора третьей выборки" и разрешает переход к следующему циклу из .мерений, а также включает блок 22 вычислений, который пд полученным вданном цикле исходным данным рассчитывает Т 11. Максимальное значение погрешности может достигать величины Точность измерений предлагаемого устройства по сравнению с известным устройством может повышаться до величины, определяемой этим соотношением.114966 Новоселова Корректор Г,Решетник оставител ехред С.Л актор В.Ивано 710 По нного комитета С тений и открмтий 5, Раушская наб. 763 дписноССР Тираж Государстве елам изобре Москва, ЖНИИПИ по