Преобразователь временных интервалов в код

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в приборах для исследования временных параметров физических процессов, в частности в радиотехнических системах контроля радиоизлучений для преобразования временных параметров исследуемых процессов. Целью изобретения является упрощение устройства и повышение точности преобразования за счет исключения ошибок преобразования, вызванных нестабильностью частоты следования счетных импульсов. Преобразователь содержит блок развязки, линию задержки, счетчик импульсов, датчики старт- и стоп-импульсов и схемы И. 2 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение в приборах для исследования временных параметров физических процессов, а также в радиотехнических устройствах контроля радиоизлучений для преобразования временных параметров радиосигналов в код.

Известно большое количество преобразователей временных интервалов в код. Наиболее широкое применение в вычислительной и измерительной технике находят устройства, основанные на подсчете числа периодов гармонических колебаний или числа импульсов специальных генераторов за преобразуемый интервал времени. Необходимой составной частью таких устройств являются генераторы гармонических колебаний или чаще всего генераторы счетных импульсов и временные селекторы, срабатывающие от датчиков тактовых импульсов, отмечающих начало преобразуемого интервала времени (старт-импульсы) и конец его (стоп-импульсы). Примерами таких устройств могут служить устройства, описанные в [1, 2].

Недостатком подобных устройств является то, что ошибка в преобразовании временных интервалов в код в значительной мере зависит от характеристик генераторов счетных импульсов, а именно от максимальной частоты генерируемых ими импульсов, определяющих дискретность преобразования, и стабильности этой частоты.

Для уменьшения ошибки, определяемой дискретностью преобразования, приходится увеличивать частоту следования счетных импульсов, что при больших значениях преобразуемых интервалов времени требует использования счетчиков с большой емкостью. При малой же длительности преобразуемых временных интервалов реализация генераторов счетных импульсов с достаточно высокой для обеспечения заданной точности преобразования частотой следования и с достаточно малой их длительностью сопряжена с существенными техническими трудностями. Например, при преобразовании временных интервалов, меньших одной микросекунды, с точностью не менее 0.1% требуется применение генераторов счетных импульсов с длительностью менее одной наносекунды и с частотой следования 10⁸ импульсов в секунду.

Частично указанный недостаток преодолен в устройстве [3], которое наиболее близко по технической сущности к предлагаемому устройству и может быть принято за прототип. Это устройство содержит генератор счетных импульсов, датчики старт- и стоп-импульсов, временной селектор, управляемый триггером, запускаемым от датчиков старт- и стоп-импульсов, а также счетчик импульсов, присоединенный к выходу селектора. Кроме того, для уменьшения ошибок, обусловленных дискретностью преобразования, в устройство введена секционированная линия задержки, вход которой присоединен к выходу селектора, а выходы - к первым входам схем И, на которые входы которых подается управляющее напряжение с выхода триггера. Преобразуемый интервал времени представляется в известном устройстве в виде двоичного кода целого числа периодов импульсов тактового генератора и позиционного кода номера сработавшей схемы И т.е.

T = mt_o+nΔt , где T - преобразуемый интервал времени; t₀ - период следования счетных импульсов; m - количество счетных импульсов, поступивших на счетчик с выхода временного селектора; Δt - время задержки в одной секции линии задержки; n - номер сработавшей схемы И.

Таким образом, ошибка преобразования, обусловленная его дискретностью, определяется в известном устройстве временем задержки в одной секции линии задержки и может быть по крайней мере на порядок уменьшена по сравнению с периодом следования счетных импульсов. Однако недостаток, связанный с влиянием на точность преобразования нестабильности частоты следования счетных импульсов, остается и в этом устройстве. Повышение же стабильности генераторов счетных импульсов требует усложнения их схем и использования дорогостоящих и сравнительно крупногабаритных кварцев.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение устройства и повышение точности преобразования за счет исключения ошибки преобразования, причиной которой является нестабильность частоты следования импульсов генератора счетных импульсов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее генератор счетных импульсов, временной селектор, датчики старт- и стоп-импульсов, секционированную линию задержки и счетчик импульсов, внесены следующие усовершенствования: выход датчика старт-импульса соединен с первыми входами схем И через секционированную линию задержки, выход которой через дополнительно введенный блок развязки соединен с ее входом и непосредственно соединен со счетным входом счетчика импульсов, вторые же входы схем И и вход остановки счетчика непосредственно соединены с выходом датчика стоп-импульсов. Благодаря усовершенствованиям отпадает необходимость в управляющем триггере, временном селекторе и генераторе счетных импульсов, роль которых в предлагаемом устройстве выполняет старт-импульс, циркулирующий в линии задержки благодаря обратной связи ее выхода со своим входом. Ошибка преобразования, определяемая нестабильностью генератора счетных импульсов, в предлагаемом устройстве отсутствует, а сама схема устройства по сравнению с прототипом существенно упрощается при сохранении всех своих функциональных возможностей, присущих прототипу.

Известно, что нестабильность частоты следования счетных импульсов в основном определяется нестабильностью питающего напряжения. В предлагаемом устройстве генератор счетных импульсов отсутствует, а линия задержки представляет собой пассивный элемент, не нуждающийся в источниках питания, а следовательно ее характеристики не зависят от нестабильности питающего напряжения. Таким образом предлагаемое введение дополнительного блока развязки и изменение связей в преобразователе временных интервалов исключает необходимость в генераторе счетных импульсов, в управляющем триггере и временном селекторе. Единственным дополнительно введенным элементом в предлагаемом устройстве является блок развязки, реализация которого не представляет каких-либо технических трудностей.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого устройства.

Входом устройства являются входы датчиков 1 и 2, запускаемых соответственно в момент начала и конца преобразуемого интервала времени. Выход датчика старт-импульса 1 через секционированную линию задержки 3 соединен с первыми входами схем И 4, а выход датчика стоп-импульса 2 непосредственно соединен с вторыми входами этих же схем И 4 и с входом остановки счетчика импульсов 5. Выход линии задержки 3 соединен со счетным входом счетчика импульсов 5 и через блок развязки 6 - со своим входом. Выходы схем И 4 и счетчика импульсов 5 образуют выход устройства.

Для пояснения принципа работы предлагаемого устройства на фиг. 2 приведены временные диаграммы. Диаграмма 7 изображает преобразуемый интервал времени T между старт-импульсом 8 и стоп-импульсом 9. Диаграмма 10 изображает последовательность импульсов 8 на входе линии задержки 3, образуемую циркуляцией в ней стартового импульса 8, причем интервалы между импульсами в этой последовательности равны времени задержки t₀ стартового импульса в линии 3. Диаграмма 11 показывает ту же последовательность на первом входе одной из схем И, соединенном с одним из промежуточных отводов линии задержки 3. Сдвиг этой последовательности t_n относительно начала отсчета, т.е. от момента появления старт-импульса, зависит от номера промежуточного отвода. На диаграмме 12 изображен стоп-импульс 9 на втором входе той же схемы И, а на диаграмме 13 импульс совпадения 14 на выходе этой схемы И, несущий информацию о номере схемы И, на которой произошло совпадение стоп-импульса 9 со старт-импульсом 8, задержанным на общее время T = mt_o+t_n= mt_o+nΔt, где m - число импульсов на входе линии задержки, образовавшееся за счет циркуляции в ней старт-импульса 8,
t₀ - полное время задержки в линии;
Δt - время задержки в каждой секции линии задержки;
n - номер сработавшей схемы И.

Для пояснения принципа работы целесообразно задать конкретные параметры линии задержки t₀ и Δt и проследить процесс преобразования интервала заданной длительности. Допустим, что длительность преобразуемого интервала времени T = 8,4 мкс, полное время задержки в линии t₀ = 1 мкс, число отводов от линии задержки N = 10, время задержки в каждой из секций Δt = 0,1 мкс.

Старт-импульс 8, соответствующий началу преобразуемого интервала времени T, поступает на вход линии задержки 3 и через время t₀ = 1 мкс оказывается на ее выходе, засчитывается счетчиком 5 и через блок развязки 6 возвращается на вход линии задержки; через время 2t₀ = 2 мкс снова оказывается на выходе линии задержки 3, засчитывается счетчиком 5 и т.д. При заданных параметрах линии задержки и длительности преобразуемого интервала времени этот процесс повторится 8 раз (фиг. 2, поз. 10). На девятом цикле на одной из схем И, в данном случае четвертой схеме И, присоединенной к четвертому отводу от линии задержки 3, на котором время задержки составляет
t_n= nΔt = 4·0,1 = 0,4 мкс, ,
произойдет совпадение старт-импульса 8, проходящего линию задержки в девятый раз, со стоп-импульсом 9, поступившим в этот момент на второй вход четвертой схемы И. Стоп-импульс 8 при этом одновременно останавливает счетчик 5, в котором сосчитано 8 единиц, что дает целую часть временного интервала T, а поступивший с выхода четвертой схемы И импульс 14 несет информацию о номере сработавшей схемы И, что в данном случае равно дробной части интервала T, а именно 0,4 мкс.

Таким образом, на выходе устройства формируется цифровой код, состоящий из двоичного кода числа 8 в счетчике импульсов 5 и позиционного кода числа 0,4 на выходах схем И. Если бы временной интервал был, например, равен 12,9 мкс, то старт-импульс проциркулировал бы в линии задержки 12 раз, а на тринадцатый произошло бы его совпадение со стоп-импульсом на выходе девятой схемы И и на выходе счетчика 5 появился бы двоичный код числа 12, а выходы схем И образовали бы позиционный код 0,9.

При необходимости к выходам схем И 4 и счетчика импульсов 5 может быть присоединено устройство, преобразующее позиционный код схем И в двоичный и дающее полный результат преобразования в двоичном коде.

Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы старт- и стоп-импульсы имели длительность τ, удовлетворяющую условию
Δt ≈ τ < δt,
где
δt - максимально допустимая ошибка измерения;
Δt - время задержки в каждой секции.

После совпадения циркулирующего старт-импульса со стоп-импульсом в одной из схем И он гасится на малом входном сопротивлении открытой схемы И и циркуляция импульса прекращается.

Таким образом, результат преобразования длительности интервала в код так же, как и в прототипе, равен
T = mt_o+nΔt,
где
m - показания счетчика импульсов 5;
n - номер сработавшей схемы И 4.

Все элементы предлагаемого устройства аналогичны соответствующим элементам прототипа за исключением дополнительно введенного блока развязки 6. Простейшим вариантом реализации этого блока является диод, обеспечивающий однонаправленное прохождение импульса с выхода линии задержки 3 на ее вход. Однако вследствие уменьшения амплитуды импульса при каждом прохождении линии задержки этот вариант применим только при небольшом количестве циклов работы линии задержки. Поэтому предпочтительно выполнение блока развязки в виде однонаправленного усилителя, коэффициент которого должен компенсировать уменьшение амплитуды циркулирующего импульса, или в виде ждущего генератора одиночных импульсов, запускаемого выходным импульсом линии задержки и выдающего одиночный импульс с параметрами, аналогичными параметрам стартового импульса. Возможны и другие варианты выполнения блока развязки.

Формула изобретения

Преобразователь временных интервалов в код, содержащий датчики старт- и стоп-импульсов, счетчик импульсов и секционированную линию задержки, выходы которой соединены со схемами И, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введен блок развязки, выход датчика старт-импульсов соединен с первыми входами схем И через секционированную линию задержки, выход которой через блок развязки соединен со своим входом и непосредственно соединен со счетным входом счетчика импульсов, а выход датчика стоп-импульсов непосредственно соединен с вторыми входами схем И и входом остановки счетчика импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2