Аналого-цифровой частотомер

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 128 9) 5)5 6 01 Й 23/00 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К А ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР СКОМУ СВИДЕТЕЛЬ ТВ(57) Изобретение может быть использованодля измерения частоты процессов малойскорости изменения, Целью изобретенияявляется повышение быстродействия. Аналого-цифровой частотомер содержит генеИзобретение относится к электрическим измерениям и может быть использова-,но для измерения мгновенной частотыпроцессов малой скорости изменения.Целью изобретения является повышение быстродействия.На фиг. 1 представлена функциональная схема аналого-цифрового частотомера; .на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 3, 4 и 5 - функциональные схемы генератора тока, пиковогодетектора и генератора опорной частоты соответственно,Аналого-цифровой частотомер содержит генератор 1 пилообразного напряжения, формирователь 2 гиперболическойфункции, генератор 3 опорной частоты, источник 4 опорного напряжения, делитель 5напряжения, цифроаналоговый преобраэоратор пилообразного напряжения, генератор опорной частоты, пиковый детектор, усилитель-формирователь, первый и второй ключи, счетчик, цифроаналоговый преобразователь, Введение первого и второго сумматоров первого триггера, второго триггера, источника опорного напряжения, делителя напряжения, формироватЕля гиперболической функции, генератора логической единицы, первого и второго инверторов, Элемента задержки, элемента И, элемента ИЛИ, дифференцирующей цепи и регистра памяти позволяет повысить быстродействие, 3 з.п, ф-лы, 5 ил. ватель 6, два сумматора 7 и 8 напряжения, первый 9 и второй 10 ключи, генератор 11 логической единицы, два триггера 12 и 13, компаратор 14, пиковый детектор 15, элемент ИЛИ 16, усилитель-формирователь 17, два логических инвертора 18 и 19, диффе- СО ренцирующую цепь 20, элемент 21 задерж- К;) ки, счетчик 22 импульсов, регистр 23 ф, памяти, входную шину 24, выходную шину 2 б,алементИ 2 бишину 27 масштаба, Выход )м генератора 1 пилообразного напряженияювшсоединен с первым информаЧионным входом 1 И второго ключа 10, соединенного своим вторым информационным входом 2 И с шиной нулевого потенциала, а управляющим входом - с С-входом синхронизации О-триггера 12, вторым входом элемента И 26, первым управляющим входом генератора 1 пилообразного напряжения, соединенным с входом логического инвертора 18 и выходом усилителя-формирователя 17, связанного своим входом с выходом элемента ИЛИ 16, первый вход которого подключен к входной шине 24 и второму 3-входу установки ВЗ-триггера 13. Выход элемента И 26 соединен с вторыми входами пикового детектора 15 и генератора 3 опорной частоты, Второй вход элемента И 16 соединен с выходом компаратора 14, связанного своим первым входом с выходом второго ключа 10 и первым входом сумматора 8 напряжения, второй и третий входы и выход которого соединен соответственно с выходом ключа 9, выходом цифроаналогового преобразователя 6 и первым входом пикового детектора 15. Второй вход компаратора 14 соединен с выходом сумматора 7 напряжения, связанного своим первым входом с аналоговым входом ключа 9 и первым аналоговым входом цифроаналогового преобразователя б, соединенным с выходом делителя 5 напряжения, вход которого подключен к выходу источника 4 опорного напряжения, соединенному с шиной 27 масштаба. Второй вход сумматора 7 напряжения соединен с выходом цифроаналогового преобразователя б, управляющий вход которого соединен с вторым цифровым управляющим входом генератора 1 пилообразного напряжения и вторым цифровым выходом генератора 3 опорной частоты, связанного своим первым входом с входом логического инвертора 19 и выходом формирователя 2 гиперболической функции, соединенного своими вторым и первым входами соответственно с выходом пикового детектора 15 и выходом ВЯ-триггера 13, соединенным с третьим входом генератора 3 опорной частоты и В-входом сброса О-триггера 12, выход которого подключен к управляющему входу ключа 9 и первому входу элемента И 26, Выход генератора 11 логической единицы соединен с информационным О-входом триггера 12. Первый В-вход сброса триггера 13 подключен к выходу логического инвертора 18. Выход логического инвертора 19 соединен через дифференцирующую цепь 20 с третьим входом пикового детектора 15, вторым управляющим входом регистра 23 памяти, а также с входом элемента 21 задержки, выход которого подключен к Й-входу сброса счетчика 22 импульсов, счетный Т-вход и выход которого связаны соответственно с первым выходом генератора 3 опорной частоты и первым цифровым входом регистра 23 памяти, цифровой выход которого соединен с выходной шиной 25 устройства.Генератор 1 пилообразного напряжения выполнен (фиг. 1) на эталонном конденсаторе 28, генераторе 29 тока, выполненномуправляемым, и цепи 30 разряда. эталонногоконденсатора. При этом генератор 29 токасодержит(фиг. 3) транзистор 31, кодоуправ 5 ляемое сопротивление 32, два сопротивле-ния 33 и 34 и диод 35.Пиковый детектор 15 выполнен (фиг. 4)на диоде 36, конденсаторе 37, ключе 38 иэлементе ИЛИ 39. Выход ключа 38 соединен10 с катодом диода 36 и первым выводом конденсатора 37 и является выходом пиковогодетектора 15, первым информационнымвходом которого является анод диода 36,соединенный с входом ключа 38, управляю 15 щий вход которого связан с выходом элемента ИЛИ 39, первый и второй входыкоторого являются соответственно вторыми третьим входами пикового детектора 15.Второй вывод конденсатора 37 соединен с20 шиной нулевого потенциала,Генератор 3 опорной частоты содержит(фиг, 5) счетчик 40 импульсов, регистр 41,мультиплексор 42, ключ 43, генератор 44импульсов, 1 делителей 45 - 1, ., 45-и часто 25 ты импульсов и КЯ-триггер 46,Аналого-цифровой частотомер работаетследующим образом.Импульсы О 24 входной измеряемой последовательности, поступающие на вход 30 ную шину 24 частотомера (фиг, 1).в моментывремени с 2, 12, 12 (фиг. 2, а), подаются черезлогический элемент ИЛИ 16 на вход усилителя-формирователя 17, выходные импульсыО 17 фиксированной длительности т 17= тз т 235 которого (фиг. 2, б), поступая на первыйвход генератора 1 пилообразного напряжения, устанавливают последний в нулевое(сброшенное) состояние (фиг. 2, в), а проходя через логический инвертор 18 на первый40 вход сброса триггера 13, снимают условиясброса с последнего, выходной уровень напряжения которого О 1 з(фиг. 2, к) устанавливается уровнем логической единицы поддействием входного импульса О 24, доступа 45 ющего на его второй вход. Напряжение О 1 зс выхода триггера 13 удерживает триггер 12в сброшенном состоянии, Заканчиваетсяимпульс на выходе триггера 13 вместе сокончанием импульса О 17 на выходе усили 50 теля-формирователя 17. Так, устанавливающийся нулевой уровень О 17 послеинвертирования в логическом инверторе 18сбрасывает триггер 13 в исходное состояние в момент времени 1 з (фиг, 2, к),55 Импульс триггера 13, поступая в момент с 2 на первый вход формирователя 2гиперболической функции, запускает последний, в результате на его выходе формируется с момента 12 импульс О 2,длительность 72 которого обратно пропорциональна напряжению 015, поступающему на второй вход формирователя 2 гиперболической функции с выхода пикового детектора 15 (фиг, 2, е)."КТг = т - тг =015где К - коэффициент пропорциональности (определяется выполнением блока 2).Импульс 02 (фиг. 2, л) на время своего действия Хг включает генератор 3 опорной частоты, выходные импульсы Оз которого частотой 1 з (фиг. 2, н), поступая на первый вход счетчика 22 импульсов, за время тг действия этих импульсов устанавливают в нем код 1 чгг = ггтз, который по окончании импульса Ог запоминается в регистре 23 памяти под действием положительного сигнала 02 о(фиг. 2, м, поступающего на второй вход регистра 23 памяти с выхода дифференцирующей цепи 20, подключенной своим входом через логический инвертор 19 к выходу формирователя 2 гиперболической функции. Кроме того, импульсом Ого с выхода дифференцирующей цепи 20 в момент времени т через элемент 21 задержки производится сброс счетчика 22.В результате с момента времени 1 в регистре 23 памяти хранится код Кгз, обратно пропорциональный предыдущему временному интервалу,т,е, пропорциональный мгновенной частоте.Процесс формирования напряжения 015 на выходе пикового детектора 15 рассмотрим на текущем интервале времени от 12 До 12По окончании импульсов 01 з и Оп в момент времени тз генератор 3 опорной частоты подготавливается к новому циклу измерений, а генератор 1 пилообразного напряжения находится в сброшенном состоянии, при котором эталонный конденсатор 28 разряжен с помощью цепи 30 разряда под действием импульса 01 т, поступающего на первый вход генератора 1 пилообразного напряжения. По окончании импульса 017 с момента времени тз цепь 30 разряда отключается и эталонный конденсатор 28 начинает заряжаться с нулевого уровня постоянным током 29 генератора 29 тока, величина тока котороГо задается кодом Кз-о, поступающим с второго выхода генератора 3 опорной частоты на второй вход генератора 1 пилообразного напряжения,При этом напряжение 01 на выходе блока 1(на конденсаторе 28) с момента тз изменяется с нулевого уровня по линейно нарастающему закону 1011 з(ч =а,(т-тз) (1)и через первый вход второго ключа 10 подается на первый вход компаратора 14, навторой вход которого приходит напряжение5 с выхода сумматора 7 напряжения, на первый суммирующий вход которого подаетсянапряжение 05 с выхода делителя 5 напряжения, которое одновременно подается через цифроаналоговый преобразователь 6 на10 второй (вычитающий) вход сумматора 7 напряжений величиной ЬОО. Таким образом,на выходе сумматора 7 напряжений с момента 12 действует напряжение07-о = 05 Ь Оо (2)При увеличении напряжения 01 до величины От.о в момент времени т 4 срабатываеткомпаратор 14 и его выходной импульс (фи2, г) через логический элемент ИЛИ 16 запускает усйлител ь-формирователь 17, выход.ной импульс которого своим фронтомустанавливает уровень напряжения на выходе триггера 12 в состояние логическойединицы (фиг. 2, и), под действием которойзамыкается ключ 9, обеспечивая тем самымс момента времени т 4 прохождение напряжения 05 делителя 5 напряжения на второйвход второго сумматора 8 напряжений, натретьем входе которого действует напряжение Ь 01 = Л Оо с выхода цифроаналогового преобразователя 6. Так как во времядействия импульса Оп первый вход втор осумматора 8 через второй вход второго кл 1 ча 10 соединен с шиной нулевого потен ц а.ла, на выходе сумматора 8 напряжений винтервале времени т 4, ., т 5 устанавливаетсянапряжение08Ц (с (15 = 05+401 (3)передаваемое на выход пикового детектора15, так как на его втором входе начальнойустановки действует уровень логическойединицы, поступающий с выхода логического элемента И 26, на первом входе которогодействует (с момента 14) уровень логической. единицы триггера 12, взведенного фронтомимпульса 01 т в момент времени 14 срабатывания компаратора 14, а на втором входелогического элемента И 26 действует импульс Оп. Кроме того, выходной импульслогического элемента И 26 в момент времени 14, поступая на второй вход генератора 3опорной частоты, подготавливает его к ра. боте, так как сбрасывается триггер 46, устраняющий условия сброса счетчика 4055импульсов,По окончании импульса 01 т с моментавремени и напряжение 01 на выходе генератора 1 пилообразного напряжения вновьизменяется по линейному закону с нулевого уровня (фиг, 2, в):01 т ) ф 5 О 1 (1 15) (4) крутизна которого аз =а, остается прежней, так как код Йзна втором выходе генератора 3 опорной частоты после п рохожден ия первого импульса (после входного 024) компаратора 14 не изменяется йз= Мз-о. При этом напряжение Ов второго сумматора 8 напряжений изменяется до следующего срабатывания компаратора 14 в момент времени т 6 по закону08т 5 а с 6 = 05+Л 01+сХ 1 (С - 15).(5)При увеличении напряжения на первом выходе генератора 1 пилообразного напряжения до уровня07- = 05- Ь 06- (6) срабатывает компаратор 14, при этом счетчик 40 импульсов блока 3 изменяет свое кодовое состояние на единицу, поэтому код Изна втором выходе генератора 3 опорной частоты также изменяется на единицу, что вызывает соответствующее изменение величины тока 29-2 генератора 29 тока и коэффициента передачи цифроаналогового преобразователя 6, на выходе которого устанавливается новое значение напряжения ЬО 6-2.Аналогично предыдущему от выходного импульса компаратора 14 запускается усилитель-формирователь 17 и на время действия (от с 6 до 17) напряжения Ол на его выходе на выходе второго сумматора 8 устанавливается напряжение08с 6(т СП 7 =05+606 - 2 (7) транслируемое пиковым детектором 15, В последующие моменты времени 1т 7 напряжение О на выходе генератора 1 пилообразного напряжения изменяется так:01ц та =а 2(т - т 7), (8) при этом напряжение 08 на выходе сумматора 8, а следовательно, и 05 на выходе пикового детектора 15 изменяются по закону015т 7 (т (щ = 05 + ЬО 6 - 2 +02 (т - 17)(9)Таким образом, при очередном достижении напряжением О в 1-м поддиапазоне уровня напряжения07 ч = 05 Ь 06. (10) срабатывает компаратор 14. Полученный с момента его срабатывания импульс на выходе логического элемента И 26 в результате одновременного действия в моменты времени т 7 йтв на первом и втором входах логического элемента И 26 напряжений единичного уровня с выходов соответственно триггера 12 (фиг, 2, и) и усилителя-формирователя 17 (фиг. 2, б) поступает на второй вход генератора 3 опорной частоты и увеличивает код Йз второговыхода генератора 3 опорной частоты наединицу, в результате чего меняется ток 29 ч5 в генераторе 1 пилообразного напряжения,а следовательно, и крутизна а его выходного напряжения, а также изменяется величина напряжения ЬОвч выходацифроаналогового преобразователя 6.10 Если в какой-либо момент времени т 2придет очередной импульс измеряемой частоты (фиг, 2, а), то вновь взведется триггер13, фронт выходного импульса которого, поступив на третий вход блока 3, занесет код15 счетчика 40 в регистр 41 (фиг. 2, ж), взведеттриггер 46, в результате чего счетчик 40 будет сброшен (фиг, 2, з, момент тг ), Крометого триггер 13 своим выходным уровнемсбросит первый триггер 12, поэтому логиче 20 ский нуль триггера 12 закроет логическийэлемент И 26 для прохождения импульсаОп усилителя-формирователя 17, поэтомуна выходе пикового детектора 15 будет сохранено напряжение Ов, действовавшее на25 выходе второго сумматора 8 в момент 12прихода очередного импульса измеряемойпоследовательности,Для обеспечения работоспособностиустройства необходимо выполнять следую 30 щие условия.Длительность тимпульса Оп на выходеусилителя-формирователя должна быть повозможности малой, однако достаточнойдля сброса генератора 1 пилообразного на 35 пряжения до пренебрежимо малого уровнянапряжения.Напряжение Ь 06 на выходе цифроаналогового преобразователя 6 и крутизна 40 а напряжения 01 генератора 1 пилообразного напряжения для любого значения кода чз на втором выходе генератора 3 опорной частоты должны быть пропорциональны с коэффициентом пропорциональности, рав нымдлительноститимпульса Оп:ЬО 6 ч= та; (10, а)При втором и последующих срабатываниях компаратора 14, с момента действия которых происходит изменение кода Кз на 5 О выходе генератора 3 опорной частоты, соотношения последующего и предыдущего значений крутизны аи частоты 1 д 2 на выходе мультиплексора 42 должны быть одинаковыми:55где и = 2 при= О; и = 1 при 1.Выполнение этих условий приводит к тому, что срабатывания компаратора 14 происходят в моменты времени М, с 6, та, , 1 г+г, которые можно определить из условия равенства напряжений 07 и 01 о, действующих на входах компаратора 14:07= 010; (12)Х ао07= 05 - ЬО 6-= 05 .; (13)и01 о= 1 г+4-(Ь+г+ т), (14)п 2(1 8) так как при 1 г+г Т1 г+4а, и 2-1 г+4и 2то, подставляя в (23), получим015= 7 а +05+ Т аи 2 " и 2 05, (24) п 2" ао 7ао05ао и 2и 2 Тао п,2 -+а 1 2аоили 16=205/ ао.Соответственно для 1= 205=(та т 6)Щ = ,т 8 )(20)205 ао;ао 2В общем случае получим05-Сг+4 ао, 2 052Напряжение на выходе сумматора 8, а следовательно, и на выходе пикового детектора 15 в момент времени Т можно определить как сумму напряжений на входах сумматора 8:О 5= 08= 06.+ 05+,Т-(г+4+7)аои 2Длительность тг импульса Ог формирователя 2 гиперболической функции определяется какК п.2 - 1,К5 г =015 Таво время действия которого на первом выходе генератора опорной частоты формируется импульсная последовательность 03,частота тз которой связана с кодом ч 41 = 1. регистра 41 соотношением3 44,21- и при этом за время тг в счетчик 22 импульсовпоступит Йгг импульсов (фиг. 2; н);й 4 2 п 2( 1) К. шине 25 устройства будет зафиксирован кодйгг, обратно пропорциональный периоду Твходной последовательности, т.е. пропорциональный частоте 1 изм входных импуль 25 сов:1 ЬКчг 5=чгз=йгг 1) = -7 деизмТ аоК 44где у = - постоя нн ый масштабны йао 55 30 35 40 45 50 множитель.Формула изобретения Аналого-цифровой частотомер, сод.ржащий генератор пилообразного напряжения, генератор опорной частоты, пиковый детектор, усилитель-формирователь, первый и второй ключи, компаратор, генератор опорной частоты, счетчик, цифроаналоговый преобразователь, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены первый и второй сумматоры напряжения, первый и второй триггеры, источник опорного напряжения, делитель напряжения, формирователь гиперболической функции, генератор логической единицы, первый и второй логические инверторы, элемент задержки, элемент И, элемент ИЛИ, дифференцирующая цепь и регистр памяти, генератор пилообразного напряжения дополнительно содержит второй многоканальный управляющий вход, а генератор опорной частоты дополнительно содержит второй и третий управляющие входы и второй многоканальный выход, соединенный с цифровым управляющим входом цифроаналогового преобразователя и вторым многоканальным управляющим входом генератора пилообразного напряжения, связанного своим выходом с первым информационным входом второго ключа,второй информационный и управляющий входы которого соединены соответственно с шиной нулевого потенциала и вторым С- входом синхронизации первого триггера, первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения, вторым входом элемента И и входом первого логического инвертора, связанного своим выходом с первым В-входом сброса второго триггера, выход которого соединен с первым входом формирователя гиперболической функции, третьим входом генератора опорной частоты и третьим В-входом сброса первого триг, гера, выход которого подключен куправляющему входу ключа и первому входу элемента И, соединенного своим выходом с вторым входом пикового детектора и вторым входом генератора опорной частоты, первый информационный О вход первого триггера соединен с выходом генератора логической единицы, выход источника опорного напряжения связан с шиной масштаба и входом делителя напряжения, выход которого соединен с первым аналоговым входом цифроаналогового преобразователя, первым суммирующим входом первого сумматора напряжения и через ключ с вторым входом второго сумматора напряжения, третий вход которого связан с выходом цифроаналогового преобразователя, соединенным с вторым вычитающим входом первого сумматора напряжения, а первый вход второго сумматора напряжения соединен с выходом второго ключа и первым входом компаратора, соединенного своими вторым входом и выходом соответственно с выходом первого сумматора напряжения и вторым входом элемента ИЛИ, первый вход которого подключен к входной шине и второму Я-входу установки второго триггера, а выход элемента ИЛИ соединен с входом усилителя-формирователя, выход второго сумматора напряжения соединен с первым информационным входом пикового детектора, третий управляющий вход которого связан с выходом дифференцирующей цепи, соединенным с вторым управляющим входом регистра памяти и через элемент задержки с вторым В-входом сброса счетчика импульсов, первый счетный вход и выход которого соединены соответственно с первым выходом генератора опорной частоты и первым информационным входом регистра памяти, выход которого соединен с выходной шиной, причем выход формирователя гиперболической функции связан с входом второго логического инвертора, соединенного своим выходом с входом дифференцирующей цепи, выходусилителя-формирователя соединен с первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения, выход пикового де- .тектора связан с вторым входом формирователя гиперболической функции, 5 соединенного своим выходом с первым входом генератора опорной частоты.2. Устройство по 1, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что генератор опорной частоты содержит генератор импульсов, счетчик импуль сов, регистр, мультиплексор, ВЯ-триггер, иделителей частоты, ключ, управляющий вход которого является первым входом генератора опорной частоты, вторым входом которого является первый тактовый вход 15 счетчика импульсов, соединенного своиммногоканальным выходом с вторым многоканальным выходом генератора опорной частоты и многоканальным информационным вхоДом регистра, выходы которого соедине ны с соответствующими управляющими входами мультиплексора, первый выход генератора опорной частоты через ключ соединен с выходом мультиплексора, первый информационный вход которого соединен с 25 выходом генератора импульсов, остальныеи информационных входов мультиплексора соединены соответственно с выходами и делителей частоты, соединенных последовательно, а вход первого делителя частоты 30 соединен с выходом генератора импульсов,причем третьим входом генератора опорной частоты является второй управляющий вход регистра, соединенный с первым Я-входом установки триггера, второй В-вход сброса и 35 выход которого соединены соответственнос первым тактовым входом и вторым В-входом сброса счетчика импульсов.3, Устройство поп.1, отл ич а ю щеес я тем, что генератор пилообразного напря.40 жения содержит конденсатор, цепь разрядаи генератор тока, выполненный управляемым с многоканальным управляющим входом, являющимся вторым многоканальным управляющим входом генератора пилооб разного напряжения, первым управляющимвходом которого является управляющий вход цепи разряда, первый вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала и первым выводом конденсатора, второй вы вод которого связан с вторым выводом разрядной цепи и выходом генератора тока и является выходом генератора пилообразного напряжения. 55 4.Устройствопо 3,отличающеесятем, что генератор тока содержит источник опорного напряжения, два резистора, диод, кодоуправляемое сопротивление и транзистор, коллектор которого является выходом генератора тока, многоканальным управля1712894 14 55 ющим входом которого является цифровой управляющий вход кодоуправляемого сопротивления, включенного между эмитте. ром транзистора и выходом источника опорного напряжения, соединенным через первый резистор с анодом диода,Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужг л.Гагарина, 101 Заказ 534 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5