Способ цифрового измерения длительности временных интервалов
Владельцы патента RU 2414736:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет (СФУ) (RU)
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям длительности периодически следующих временных интервалов (ВИ) и импульсов. Формируют чередующиеся друг с другом нечетные и четные отдельные интервалы измерения с длительностями, соответственно равными Тх+τх и Тх-τх, где Тх - период входного сигнала; τх - длительность входного сигнала. Осуществляют подсчет квантующих импульсов с периодом повторения Т0 в течение n интервалов измерения Тх. Усредненное значение длительности входного временного интервала за суммарный интервал измерения определяют по формуле:
где n - четное число периодов входного сигнала в суммарном интервале измерения; Т0 - период повторения счетных импульсов; N2j-1 и N2j - количество квантующих импульсов в j-m нечетном и четном отдельном интервале измерения соответственно. Технический результат заключается в расширении диапазона измерений длительностей временных интервалов при увеличении точности измерения и упрощении аппаратной реализации. 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям длительности периодически следующих временных интервалов (ВИ) и импульсов.
Известен способ измерения длительности временного интервала методом дискретного счета [Г.Я.Мирский. Электронные измерения. - М.: Радио и связь, 1986. - с.111], заключающийся в сравнении измеренного ВИ с дискретным интервалом, воспроизводящим единицу времени. Для этого измеряемый временной интервал τх заполняется импульсами с известным образцовым периодом Т0<<τх, т.е. интервал преобразуется в отрезок периодической последовательности импульсов, число m которых, пропорциональное τх, подсчитывается. Импульсы, заполняющие интервал τх, принято называть квантующими и обозначать период их следования Т0. Таким образом, длительность временного интервала находится по формуле:
τx=mT0.
Недостатком данного способа является зависимость точности измерения временного интервала от технических параметров опорного генератора и счетчика, применяемых в аппаратурной реализации. Для достижения высокой точности необходимо увеличивать частоту опорного генератора и быстродействие счетчика, что приводит к необходимости использования дорогостоящей быстродействующей элементной базы.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является цифровой периодомер [П.П.Орнатский. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) - Киев: Вища школа, 1980. - с.373 (рис.8-13, в), 383], осуществляющий подсчет числа квантующих импульсов в течение одного или нескольких периодов Тх. Входной гармонический сигнал с периодом повторения Тх поступает на вход формирователя, который осуществляет по переходам через нулевой уровень гармонического сигнала формирование последовательности старт- и стоп-импульсов. Данная последовательность импульсов представляет собой совокупность интервалов измерения с длительностью, равной периоду входного сигнала Тх. Сформированные интервалы измерения с длительностью, равной периоду входного сигнала Тх, заполняют квантующими импульсами с периодом повторения Т0. Таким образом, цифровой отсчет счетчика равен:
,
и следовательно,
где n - число заполняемых квантующими импульсами периодов Tx.
Показания счетчика равны измеряемому периоду Тх в долях секунды.
Недостатками данного технического решения являются отсутствие возможности измерения длительности импульсов, относительная сложность аппаратной реализации и низкая помехоустойчивость вследствие использования формирователя, который осуществляет формирование последовательности импульсов по переходам через нулевой уровень гармонического сигнала. Кроме того, для обеспечения высокой точности требуется увеличение времени измерения и повышение частоты опорного генератора.
В основу изобретения положена задача расширения диапазона измерений длительностей временных интервалов при увеличении точности измерения и упрощении аппаратной реализации.
Поставленная задача решается тем, что в способе цифрового измерения длительности временных интервалов, заключающемся в осуществлении подсчета числа квантующих импульсов с периодом повторения Т0 в течение n интервалов измерения Тх, согласно изобретению формируют чередующиеся друг с другом нечетные и четные отдельные интервалы измерения с длительностями, соответственно равными Тх+τх и Tx-τх, где Тх - период входного сигнала; τх - длительность импульсов входного сигнала, осуществляют накопление результатов заполнения квантующими импульсами отдельных интервалов измерения, причем результаты заполнения квантующими импульсами отдельных четных интервалов измерения учитывают с обратным знаком, а усредненное значение длительности входного временного интервала за суммарный интервал измерения определяют по формуле:
где n - четное число периодов входного сигнала в суммарном интервале измерения;
Т0 - период повторения счетных импульсов;
N2j-1 и N2j - количество квантующих импульсов в j-м нечетном и четном интервале измерения соответственно.
Подсчет числа квантующих импульсов с периодом повторения Т0 в течение n чередующихся друг с другом нечетных и четных отдельных интервалов измерения с длительностями, соответственно равными Тх+τх и Тх-τx, где Тх - период входного сигнала; τх - длительность импульсов входного сигнала, позволяет ввести информацию о длительности импульсов входного сигнала τх в отдельный интервал измерения. Т.к. сформированные отдельные интервалы измерения зависимы друг от друга (конец предыдущего интервала измерения является началом последующего интервала измерения) и при усреднении результатов накопления квантующих импульсов за суммарный интервал измерения учет количества квантующих импульсов в отдельных четных интервалах измерения осуществляют с обратным знаком, то в результате корреляция усредняемых временных интервалов приводит к дополнительному уменьшению погрешности измерения за счет вычитания корреляционного компонента.
На фиг.1 представлена функциональная схема варианта реализации способа; на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип формирования нечетных и четных отдельных интервалов измерения.
Схема варианта реализации способа (фиг.1) содержит объединенные по первым входам первый (Кл1) и второй (Кл2) ключи 1 и 6, первый (Одн1) и второй (Одн2) одновибратора 2 и 7, подключенные к S-входу и R-входу RS-триггера 3 соответственно, реверсивный счетчик (Рсч) 4 и индикатор (Инд) 5. Первый вход первого ключа 1, который является входом схемы, подключен к входу блока управления (БУ) 8, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами первого и второго ключа 1 и 6 соответственно. Выходы первого и второго ключа 1 и 6 соответственно соединены со входами первого и второго одновибраторов 2 и 7. Неинверсный выход RS-триггера 3 подключен к входу предустановки реверсивного счетчика 4, вход разрешения предустановки которого соединен с третьим выходом блока управления 8. Выход реверсивного счетчика 4, тактируемый вход которого подключен к генератору импульсов (ГИ) 9, соединен с входом индикатора 5.
Схема варианта реализации способа работает следующим образом.
Входной сигнал s(t), представляющий собой последовательность импульсов с длительностью τх и периодом повторения Т=Tx (фиг.2), поступает на вход схемы реализации способа. Под действием фронта каждого нечетного входного импульса первый ключ 1, установленный в открытое состояние блоком управления 8, запускает первый одновибратор 2. Под действием среза каждого четного входного импульса первый ключ 1 по сигналу от блока управления 8 закрывается, а второй ключ 6, установленный в открытое состояние блоком управления, запускает второй одновибратор 7. В результате переключения по сигналу с блока управления 8 первого и второго ключей 1 и 6 на выходах первого и второго одновибраторов 2 и 7 формируются нечетная и четная последовательности импульсов s1(t) и s2(t) соответственно (фиг.2).
Под действием нечетного импульса s1(t) с длительностью, равной Т+τx, на неинверсном выходе RS-триггера 3 устанавливается логическая единица, которая включает реверсивный счетчик 4 на сложение. При переключении первого и второго ключей 1 и 6 по сигналу с блока управления 8 под действием четного импульса s2(t) с длительностью, равной Т-τx, на неинверсном выходе RS-триггера устанавливается логический ноль, который переключает реверсивный счетчик 4 на вычитание. При поступлении разрешающего сигнала от блока управления 8 (В.Л.Шило, Популярные цифровые микросхемы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1988, с. 102, 103) реверсивный счетчик 4 соответственно производит подсчет количества квантующих импульсов в j-м нечетном и четном интервале измерения N2j-1 и N2j. В результате под действием нечетной s1(t) и четной s2(t) последовательностей импульсов в реверсивном счетчике 4 происходит вычисление разности N2j-1-N2j за суммарный интервал измерения Ти, а также определяется усредненное значение длительности импульсов входного сигнала τср за суммарный интервал измерения:
где n - четное число периодов входного сигнала в суммарном интервале измерения;
τj - длительность j-го импульса входного сигнала;
Т0 - период повторения квантующих импульсов;
N2j-1 и N2j - количество квантующих импульсов в j-м нечетном и четном интервале измерения соответственно.
Полученное значение длительности входного временного интервала поступает на индикатор 5.
В известном способе, выбранном в качестве прототипа [П.П.Орнатский. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) - Киев: Вища школа, 1980], при измерении частоты fx=1 МГц по длительности nTx за 1 с, т.е. при n=10+6, Т0=10-8 с, осуществляют только измерение периода входного сигнала с погрешностью от квантования, равной
и с среднеквадратическом значением погрешности от квантования, равным
.
Т.к. порядок величины погрешности от квантования определяет нижний предел измерения временных интервалов, то в известном способе нижний предел измерения временных интервалов составит единицы наносекунд.
В заявляемом способе осуществляют измерение интервалов с длительностями, соответственно равными Тх+τх и Tx-τх, где Тх - период входного сигнала; τх - длительность импульсов входного сигнала, с среднеквадратичным значением погрешности от квантования, равным 
. Однако исключение численного значения измеряемого периода из результата измерения позволяет определить усредненное значение длительности импульсов входного сигнала с среднеквадратическим значением погрешности от квантования, примерно равным 
В данном случае среднеквадратическое значение погрешности от квантования уменьшается за счет корреляции отдельных усредняемых интервалов измерения. Чем выше коэффициент корреляции усредняемых интервалов, тем выше точность измерения временного интервала.
В заявляемом способе нижний предел измерения временных интервалов с учетом корреляции составит доли наносекунд (субнаносекудный диапазон измерений временных интервалов). Т.к. точность измерения повышается за счет вышеизложенного без повышения частоты f0, то в аппаратной реализации заявляемого способа не требуется усложнения схемы.
Способ цифрового измерения длительности временных интервалов, заключающийся в осуществлении подсчета числа квантующих импульсов с периодом повторения Т0 в течение n интервалов измерения Тх, отличающийся тем, что формируют чередующиеся друг с другом нечетные и четные отдельные интервалы измерения с длительностями, соответственно равными Тх+τх и Тх-τх, где Тх - период входного сигнала; τх - длительность импульсов входного сигнала, осуществляют накопление результатов заполнения квантующими импульсами отдельных интервалов измерения, причем результаты заполнения квантующими импульсами отдельных четных интервалов измерения учитывают с обратным знаком, а усредненное значение длительности входного временного интервала за суммарный интервал измерения определяют по формуле:
где n - четное число периодов входного сигнала в суммарном интервале измерения; Т0 - период повторения счетных импульсов; N2j-1 и N2j - количество квантующих импульсов в j-м нечетном и четном отдельном интервале измерения соответственно.
