Устройство для измерения частоты электрических сигналов

 

Изобретение относится к технике цифрового измерения частоты электрических сигналов в низкочастотном и инфрачастотном диапазонах. Устройство содержит усилитель-формирователь, выход которого подключен к управляющему входу первого счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом опорного генератора импульсов через делитель частоты, а также второй счетчик импульсов. Дополнительно в устройство введены первый и второй параллельные регистры, блок выдержки времени и программируемый делитель частоты. Устройство преобразует мгновенный период измеряемых сигналов в период высокочастотных импульсов, укладывающихся в фиксированный интервал времени, меньший периода измеряемых сигналов. Изобретение позволяет повысить быстродействие и точность измерения частоты. 2 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технике цифрового измерения частоты электрических сигналов в низкочастотном и инфранизкочастотном диапазонах.

Уровень техники

Для измерения частоты электрических сигналов применяются общеизвестные электронные частотомеры, которые по способу представления измерительной информации делятся на аналоговые и цифровые, а по способу образования результата измерения - на приборы прямого и косвенного действия.

Известен измерительный преобразователь частоты следования импульсов в напряжение [1], который реализует прямой аналоговый способ измерения и состоит из последовательно соединенных формирователя импульсов стабильной длительности и линейного осредняющего устройства. В данном аналоге формирователь импульсов построен на основе кварцевого генератора импульсов и двух триггеров, что обеспечивает высокую точность измерения частоты. Недостаток аналога заключается в очень большом времени измерения низкой частоты, поскольку для образования постоянного напряжения на выходе линейного осредняющего устройства требуется большое число входных импульсов.

Примером аналогового частотомера косвенного действия может служить преобразователь частоты следования импульсов в напряжение [2], содержащий входной триггер, генераторы линейно изменяющегося и экспоненциального напряжений, компаратор для сравнения указанных напряжений и аналоговое запоминающее устройство. Данный аналог с помощью генератора линейно изменяющегося напряжения преобразует мгновенный период измеряемых импульсов в напряжение, после чего в следующем периоде путем двойного запуска генератора экспоненциального напряжения образует напряжение, обратно пропорциональное полученному в первом периоде напряжению генератора линейно изменяющегося напряжения, т.е. напряжение, пропорциональное измеряемой частоте. Это напряжение запоминается как результат измерения аналоговым запоминающим устройством. Данный аналог отличается высоким быстродействием, однако его точность и стабильность недостаточны, что связано с наличием аналоговых звеньев.

Известен цифровой частотомер прямого действия [3], состоящий из последовательно соединенных усилителя-формирователя, схемы управления, счетчика импульсов, дешифратора и цифрового отсчетного устройства. Вход схемы управления подключен к выходу опорного генератора импульсов через делитель частоты. Цикл измерения _Ц в этом устройстве определяется частотой опорного генератора импульсов и модулем делителя частоты. За время t_Ц схема управления пропускает на счетчик импульсов n импульсов, причем n оказывается пропорциональным измеряемой частоте f_X. При стабильной частоте опорного генератора импульсов погрешность измерения равна погрешности квантования δ =1/n, поэтому точное измерение частоты возможно при большом числе n, т.е. при большом времени измерения t_Ц. Таким образом, недостаток данного аналога заключается в чрезмерно большом времени измерения.

Известно также цифровое устройство для измерения частоты [4], включающее последовательно соединенные усилитель-формирователь, ключ, счетчик импульсов и функциональный преобразователь, причем управляющий вход ключа присоединен к выходу генератора импульсов. Данное устройство реализует косвенный принцип измерения и выполняет первичное измерение периода сигналов измеряемой частоты f_X и последующее вычисление обратной величины результата первичного измерения. Результат измерения образуется после измерения единственного периода входных импульсов, что является его достоинством, так как увеличивает быстродействие и расширяет функциональные возможности. Наличие цифрового функционального преобразователя, например микропроцессора, обусловливает сложность данного аналога. Подобное техническое решение не всегда приемлемо.

Из известных технических решений наиболее близок по технической сущности к настоящему изобретению цифровой частотомер [5]. Устройство-прототип содержит последовательно соединенные усилитель-формирователь, первый ключ и первый счетчик импульсов. В устройстве имеется второй счетчик импульсов, вход которого присоединен через второй ключ и генератор циклов к выходу усилителя-формирователя. При этом оставшиеся входы обоих ключей присоединены к выходу опорного генератора импульсов. В устройство входит также схема сравнения кодов, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго счетчика импульсов, а выход подключен к входу третьего счетчика импульсов и входу сброса второго счетчика импульсов.

Процесс измерения частоты в устройстве-прототипе состоит из двух этапов. На первом этапе первый счетчик импульсов образует цифровое значение n_T, равное числу опорных импульсов, укладывающихся в период T_X измеряемых сигналов. На втором этапе генератор циклов открывает на время t_Ц второй ключ, через который импульсами опорного генератора заполняется второй счетчик импульсов, содержимое которого сравнивается с содержимым первого счетчика импульсов. Схема сравнения посылает импульсы на третий счетчик импульсов, содержимое которого к моменту окончания интервала t_Ц оказывается пропорциональным измеряемой частоте f_X

n_f=t_Цf₀/n_T,

где f₀ - частота опорного генератора импульсов.

Устройство-прототип измеряет мгновенное значение периода сигналов, однако процесс преобразования этого значения в значение частоты занимает много времени. Это является его недостатком.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения - повышение быстродействия и точности измерения частоты.

Поставленная цель достигается путем цифрового преобразования мгновенного периода измеряемых сигналов в период высокочастотных импульсов с последующим подсчетом количества высокочастотных импульсов, укладывающихся в фиксированный интервал времени, меньший периода измеряемых сигналов.

Для этого в устройство для измерения частоты электрических сигналов, содержащее усилитель-формирователь, подключенный выходом к управляющему входу первого счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом опорного генератора импульсов через делитель частоты, а также второй счетчик импульсов, дополнительно введены первый и второй параллельные регистры, блок выдержки времени и программируемый делитель частоты. Первый и второй параллельные регистры соединены своими информационными входами с информационными выходами соответственно первого и второго счетчиков импульсов, а своими управляющими входами - с управляющими входами соответствующих счетчиков импульсов. Выход блока выдержки времени подключен к управляющим входам вторых счетчика импульсов и параллельного регистра, тактовый вход блока выдержки времени - к выходу опорного генератора импульсов, а его сигнальный вход - к выходу усилителя-формирователя. Управляющие цифровые входы программируемого делителя частоты присоединены к информационным выходам первого параллельного регистра, его сигнальный вход подключен к выходу опорного генератора импульсов, а его выход соединен со счетным входом второго счетчика импульсов.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 показана функциональная схема устройства для измерения частоты электрических сигналов согласно настоящему изобретению. На фиг.2 представлены временные диаграммы сигналов в устройстве.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Представленная на фиг.1 схема устройства для измерения частоты электрических сигналов состоит из входного усилителя-формирователя 1, соединенного выходом с управляющими входами первого счетчика 2 импульсов и первого параллельного регистра 3 и с сигнальным входом блока 4 выдержки времени. Тактовый вход блока 4 выдержки времени подключен к выходу опорного генератора 5 импульсов, к сигнальному входу программируемого делителя 6 частоты и через делитель 7 частоты - к счетному входу первого счетчика 2 импульсов. Информационные выходы первого счетчика 2 импульсов присоединены к информационным входам первого параллельного регистра 3, информационные выходы которого, в свою очередь, подключены к управляющим цифровым входам программируемого делителя 6 частоты. Выход блока 4 выдержки времени соединен с управляющими входами второго счетчика 8 импульсов и второго параллельного регистра 9, подключенного своими информационными входами к информационным выходам второго счетчика 8 импульсов, у которого счетный вход присоединен к выходу программируемого делителя 6 частоты. Информационные выходы второго параллельного регистра 9 служат цифровыми выходами устройства для измерения частоты электрических сигналов, на которых образуется результат измерения.

Программируемый делитель 6 частоты может быть выполнен в виде универсального вычитающего счетчика импульсов, имеющего счетный вход (-1), который служит сигнальным входом программируемого делителя б частоты, управляющие цифровые входы (D), и вход параллельной загрузки (L), который соединен с выходом заема (Р) этого же счетчика импульсов. Выход заема L является выходом программируемого делителя 6 частоты.

Блок 4 выдержки времени для повышения точности выдержки времени может быть выполнен в виде цифрового пересчетного устройства, питаемого тактовыми импульсами с выхода опорного генератора 5 импульсов и запускаемого импульсами с выхода усилителя-формирователя 1.

Работа устройства фиг.1 поясняется временными диаграммами фиг.2, где буквами А... Д обозначены сигналы в одноименных линиях связи на фиг.1.

Входные сигналы А измеряемой частоты преобразуются усилителем-формирователем 1 в короткие импульсы Б, которые поступают на управляющие входы первых счетчика 2 импульсов и параллельного регистра 3, а также на сигнальный вход блока 4 выдержки времени. Первый импульс 10 усилителя-формирователя 1, поступая на управляющий вход С первого параллельного регистра 3, переписывает в него содержимое первого счетчика 2 импульсов, а поступая на управляющий вход R первого счетчика 2 импульсов, сбрасывает его в ноль. Этот же импульс 10 запускает блок 4 выдержки времени, который формирует импульс с низким (нулевым) рабочим уровнем длительностью t_В.

За время периода Т_X измеряемых сигналов первый счетчик 2 импульсов заполняется импульсами В с выхода делителя 7 частоты, частота которых составляет f₀/М, где М - модуль делителя 7 частоты, а f₀ - частота импульсов опорного генератора 5 импульсов. Общее число прошедших за время Т_X импульсов и, следовательно, содержимое первого счетчика 2 импульсов, к моменту окончания периода достигает значения N_T, равного

N_T=T_Xf₀/M.

Следующий импульс 11 усилителя-формирователя 1 переписывает содержимое N_T первого счетчика 2 импульсов в первый параллельный регистр 3, где оно запоминается на весь следующий период измеряемых сигналов. Этот же импульс 11 сбрасывает первый счетчик 2 импульсов и запускает блок 4 выдержки времени, который начинает формировать импульс 12 с низким рабочим уровнем длительностью t_В, которая выбирается меньше наименьшего периода измеряемых сигналов. Число N_T, хранимое первым параллельным регистром 3, определяет модуль программируемого делителя 6 частоты, который работает следующим образом. Когда в процессе вычитания импульсов с выхода опорного генератора 5 импульсов на выходе Р вычитающего счетчика импульсов, составляющего основу программируемого делителя 6 частоты, возникает сигнал заема, соответствующий обнулению этого счетчика, то этот сигнал, поступая на вход L параллельной загрузки, записывает в счетчик число N_T. В дальнейшем сигналы заема Р, являющиеся выходными сигналами программируемого делителя 6 частоты, появляются с частотой f_Д, который зависит от модуля N_T программируемого делителя 6 частоты и частоты f₀ опорного генератора 5 импульсов

f_Д=f₀/N_T.

Частота f_Д много выше частоты измеряемых сигналов.

Импульс 12 блока 4 выдержки времени определяет время счета второго счетчика 8 импульсов, содержимое которого за время _В с учетом приведенных выше выражений достигает значения

N_f=f_Дt_В=f₀t_В/N_Т=Мt_В/T_Х=Mt_Вf_X.

В момент окончания импульса 12 по его положительному фронту это число N_F записывается во второй параллельный регистр 9 в качестве цифрового результата измерения частоты. Таким образом, результат измерения пропорционален измеряемой частоте

N_F=Kf_X.

Коэффициент преобразования К=Мt_В и частота f₀ выбираются с учетом диапазона измеряемых частот и заданной точности измерения.

При заданных границах f_{X min} и f_{X max} диапазона измеряемых частот и максимальной относительной погрешности измерения δ параметры устройства в предпочтительном варианте исполнения выбираются из следующих соотношений:

- разрядность n счетчиков 2 и 8 импульсов, параллельных регистров 3 и 9, программируемого делителя 6 частоты

где lb - двоичный логарифм, ]... [ - операция округления до большего целого числа;

- коэффициент К преобразования

K=1/(f_{X min}δ ),

- частота f₀ опорного генератора 5 импульсов

f₀=Kf²_{X max}/δ ;

- модуль М делителя 7 частоты

M=(f₀δ )/f_{X max};

- длительность t_В блока 4 выдержки времени

t_В=1/f_{X max}.

При простой структуре устройство в соответствии с настоящим изобретением обладает высокой точностью измерения частоты электрических сигналов при максимальном быстродействии, так как цифровой результат измерения образуется по прошествии единственного периода электрических сигналов. Устройство может использоваться, в частности, для быстрого измерения частоты сердечных сокращений.

Источники информации

1. Измерительный преобразователь частоты следования импульсов в напряжение. - Авт. свид. СССР №548097.

2. Преобразователь частоты следования импульсов в напряжение. - Авт. свид. СССР №482884.

3. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. - М.: Мир, 1988, с.333, рис.11.29.

4. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. - М.: Мир, 1990, с.226, рис.10.6.

5. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1981, с.171, рис.3.32 (прототип).

Формула изобретения

Устройство для измерения частоты электрических сигналов, содержащее усилитель-формирователь, подключенный выходом к управляющему входу первого счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом опорного генератора импульсов через делитель частоты, а также второй счетчик импульсов, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены первый и второй параллельные регистры, соединенные своими информационными входами с информационными выходами соответственно первого и второго счетчиков импульсов, а своими управляющими входами - с управляющими входами соответствующих счетчиков импульсов, блок выдержки времени, у которого выход подключен к управляющим входам вторых счетчика импульсов и параллельного регистра, тактовый вход - к выходу опорного генератора импульсов, а сигнальный вход - к выходу усилителя-формирователя, и программируемый делитель частоты, при этом управляющие цифровые входы программируемого делителя частоты присоединены к информационным выходам первого параллельного регистра, его сигнальный вход подключен к выходу опорного генератора импульсов, а его выход соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, информационные выходы второго параллельного регистра служат цифровыми выходами устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2