Интерполирующий преобразователь интервала времени в цифровой код

Авторы патента:

G04F10/04 - с использованием счетных импульсов или полупериодов переменного тока

Владельцы патента RU 2583165:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" (RU)

Изобретение относится к технике измерения интервалов времени, в частности к устройствам для преобразования длительности однократных импульсов в цифровой код. Устройство содержит кольцевой генератор импульсов, множеством своих выходов связанный с информационными входами первого регистра, одним из выходов - с первым входом счетчика импульсов, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам второго регистра. Цифровые выходы первого и второго регистров соединены с соответствующими цифровыми входами арифметического блока. Причем выход первого регистра присоединен через шифратор, а второго регистра - непосредственно; триггер, выходом присоединенный к второму входу счетчика импульсов, и входные зажимы сигналов «Старт» и «Стоп». Дополнительно введен блок контроля периода кольцевого генератора импульсов, цифровым выходом присоединенный к соответствующему цифровому входу арифметического блока, а сам кольцевой генератор импульсов снабжен входом блокировки, подключенным к первому входу триггера и через первый формирователь импульсов - к входному зажиму сигнала «Старт». При этом входной зажим сигнала «Стоп» через второй формирователь импульсов подключен к тактовым входам обоих регистров и второму входу триггера, а первый и второй входы блока контроля периода кольцевого генератора импульсов соединены соответственно с одним из выходов кольцевого генератора импульсов и с выходом триггера. Технический результат заключается в повышении точности преобразования интервала времени в цифровой код и упрощении структуры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технике измерения интервалов времени, в частности к устройствам для преобразования длительности однократных импульсов в цифровой код.

Уровень техники

Для измерения интервалов времени применяются преобразователи время-код (ПВК), принцип работы которых основан на методе прямого счета импульсов опорного периода, укладывающихся в интервал времени [1]. Недостатки ПВК такого типа состоят в низком разрешении, равном опорному периоду, а также в погрешностях квантования, возникающих в начале и в конце преобразуемого интервала времени.

Повышенная точность цифрового измерения однократных интервалов времени достигается нониусным методом, при котором разрешение определяется разностью периодов основного и нониусного генераторов [2, 3]. Однако поскольку нониусная развертка занимает продолжительное время уже после окончания преобразуемого интервала, то нониусные ПВК имеют большое «мертвое» время и, следовательно, низкое быстродействие. Тот же недостаток свойствен и рециркуляционным ПВК, в которых импульс с длительностью измеряемого интервала циркулирует по кольцу и сокращается по длительности в каждом цикле до полного вырождения, а число циклов циркуляции подсчитывается [4].

Противоречие между точностью и производительностью традиционных ПВК разрешается применением фазовой интерполяции, предусматривающей образование дополнительных точек отсчета времени внутри опорного периода. Способ реализуется разными путями, в том числе с помощью кольцевых генераторов импульсов (КГ), которые естественным образом согласуют основную шкалу отсчета времени - опорный период с субшкалой отсчета, образуемой множеством выходов КГ. Представителем данного типа ПВК, наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для измерения интервала времени [5], выбранное за прототип.

Устройство-прототип содержит кольцевой генератор импульсов, множеством своих выходов связанный с информационными входами первого регистра, одним из выходов - с первым входом счетчика импульсов, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам второго регистра. Цифровые выходы первого и второго регистров соединены с соответствующими цифровыми входами арифметического блока (сумматора), причем выход второго регистра присоединен непосредственно, а первого регистра - через первый шифратор. Устройство включает триггер, выходом присоединенный к второму входу счетчика импульсов, и входные зажимы сигналов «Старт» и «Стоп», а также третий регистр, нагруженный на соответствующий цифровой вход арифметического блока через второй шифратор, при этом входной зажим сигнала «Старт» подключен к одному входу триггера и тактовому входу первого регистра, а входной зажим «Стоп» - к другому входу триггера и тактовым входам второго и третьего регистров. Вывод результата преобразования осуществляется посредством четвертого регистра, информационные входы которого соединены с цифровым выходом арифметического блока, а тактовый вход - с входным зажимом сигнала «Стоп».

Недостатки устройства-прототипа заключаются в сложности его структуры и невысокой точности, связанной с нестабильностью опорного периода кольцевого генератора импульсов, что затрудняет практическое осуществление устройства на основе программируемой пользователем вентильной матрицы, не располагающей средствами управления периодом кольцевого генератора импульсов с целью его стабилизации.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения - повышение точности цифрового преобразования интервалов времени и упрощение структуры устройства, обеспечивающее его осуществление на основе программируемой пользователем вентильной матрицы.

Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения в него дополнительно введен блок контроля периода кольцевого генератора импульсов, цифровым выходом присоединенный к соответствующему цифровому входу арифметического блока, а сам кольцевой генератор импульсов снабжен входом блокировки, подключенным к первому входу триггера и через первый формирователь импульсов - к входному зажиму сигнала «Старт». При этом входной зажим сигнала «Стоп» через второй формирователь импульсов подключен к тактовым входам обоих регистров и второму входу триггера, а первый и второй входы блока контроля периода кольцевого генератора импульсов соединены соответственно с одним из выходов кольцевого генератора импульсов и с выходом триггера.

Блок контроля периода кольцевого генератора импульсов может строиться на основе делителя частоты, регистра и счетчика импульсов, первым входом соединенного с опорным генератором, а вторым входом совместно с тактовым входом регистра - с выходом делителя частоты, первый и второй входы которого служат соответственно первым и вторым входами блока контроля периода кольцевого генератора импульсов. При этом выходы регистра, у которого информационные входы присоединены к соответствующим выходам счетчика импульсов, являются цифровым выходом блока контроля периода кольцевого генератора импульсов.

Такое усовершенствование устройства позволяет устранить необходимость в стабилизации периода кольцевого генератора импульсов, который вместо этого непрерывно измеряется, а результат измерения используется для последующего вычисления значения преобразуемого интервала времени. Поскольку в кольцевом генераторе импульсов предусмотрен вход блокировки, обеспечивающий останов и последующий его запуск, то отпадает необходимость в ряде узлов, обеспечивающих съем информации о моментах «Старт» и «Стоп» «на лету» без останова генератора.

Описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема интерполирующего преобразователя интервала времени в цифровой код.

Осуществление изобретения

Устройство содержит кольцевой генератор 1 импульсов, первый 2, второй 3 регистры, счетчик 4 импульсов, шифратор 5, первый 6 и второй 7 формирователи импульсов, входные зажимы 8, 9 сигналов соответственно «Старт» и «Стоп», триггер 10, блок 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов и арифметический блок 12.

Блок 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов в предпочтительном варианте осуществления может включать счетчик 13 импульсов, опорный генератор 14, регистр 15 и делитель 16 частоты. Делитель 16 частоты имеет два входа: первый вход для приема импульсов с подлежащей делению частотой, и второй вход, появление сигнала на котором блокирует работу делителя.

Кольцевой генератор 1 импульсов в данном варианте осуществления изобретения представляет собой соединенные в кольцо N управляемых элементов задержки, один из которых имеет инвертирующий выход для обеспечения необходимой для генерирования общей инверсной обратной связи. Каждый элемент задержки кроме основного сигнального входа снабжен входом запрета, поступление импульса на который устанавливает уровень логического «0» на его выходе. Такими элементами задержки в интегральной схеме могут служить вентили И.

Преобразованию подлежит интервал времени T_X между моментами поступления на входные зажимы 8 и 9 сигналов соответственно «Старт» и «Стоп». Устройство работает следующим образом.

В отсутствие входных сигналов кольцевой генератор 1 импульсов непрерывно вырабатывает на своих N выходах последовательности импульсов формы «меандр», смещенных относительно друг друга на время задержки его каскада t_D, период импульсов составляет

T_G=2Nt_D.

Импульсы с одного из выходов этого генератора поступают на вход блока 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов, где их период делителем 16 частоты умножается в D раз (D - модуль делителя 16 частоты). В результате на входе сброса R счетчика 13 импульсов образуются импульсы с длительностью T_R=DT_G/2, равной паузе между ними. В течение каждой паузы счетчик 13 импульсов заполняется импульсами опорного генератора 14, его содержимое за это время достигает значения

M=T_R/T_O=DT_G/2T_O,

где T_O - период импульсов опорного генератора 14. Таким образом, выполняется непрерывный контроль периода колебаний кольцевого генератора 1 импульсов, который определяется выражением

$T_{G} = \frac{2 M T_{O}}{D}$ .

Время задержки одного каскада кольцевого генератора 1 импульсов определяет шаг дискретизации времени в устройстве, оно равно

$t_{D} = \frac{2 M T_{O}}{2 N D}$ .

Сигнал «Старт», поступающий на входной зажим 8 и сокращенный по длительности формирователем 6, взводит триггер 10 и приводит кольцевой генератор 1 в исходное состояние нулей во всех его каскадах, после чего он возобновляет работу с «нулевой» фазы. Взведенный триггер 10 блокирует работу делителя 16 частоты в блоке 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов, а также разрешает работу счетчика 4 импульсов, его содержимое начинает получать единичные приращения с каждым периодом импульсов кольцевого генератора 1. Так продолжается до момента поступления сигнала «Стоп» на входной зажим 9, когда короткий импульс формирователя 7 сбрасывает триггер 10 и производит запись в первый регистр 2 термометрического кода с выходов кольцевого генератора 1 импульсов, а во второй регистр 3 - достигнутого к окончанию измеряемого интервала содержимого счетчика 4 импульсов. Это содержимое равно числу K полных периодов T_G кольцевого генератора 1 импульсов, укладывающихся на измеряемом интервале T_X. Термометрический код первого регистра 2 преобразуется шифратором 5 в обычный двоичный код, отражающий позицию сигнала «Стоп» внутри периода кольцевого генератора 1 импульсов в числе шагов дискретизации t_D. С этого момента возобновляется также работа блока 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов.

Таким образом, на цифровых входах арифметического блока 12 после окончания преобразуемого интервала оказываются числа: M - с выхода блока 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов; K - с выхода второго регистра 3; n - с выхода шифратора 5. Арифметический блок 11 вычисляет значение интервала времени T_X по формуле

$T_{X} = [2 K N + n] \frac{M T_{O}}{N D} = (2 K + \frac{n}{K}) \frac{M T_{O}}{D}$ .

При осуществлении ПВК на программируемой пользователем вентильной матрице все его блоки могут быть размещены на одном кристалле. Возможен также вариант, когда роль арифметического блока 12 возлагается на внешний компьютер. В любом случае арифметические вычисления могут занимать длительное время. Поэтому целесообразно снабдить арифметический блок 12 входным регистром, тогда после фиксации чисел M, K, n ПВК готов к следующему циклу преобразования. В этом случае «мертвое» время между циклами преобразования не превышает суммарного времени записи в регистр 2 и преобразования термометрического кода в шифраторе 5. Поскольку период кольцевого генератора 1 импульсов непрерывно измеряется, и результат измерения участвует в вычислении значения интервала, то нет необходимости в стабилизации этого периода, что дает возможность построения ПВК в виде полузаказной интегральной схемы с сокращением затрат времени и средств.

Литература

1. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. - М.: Техносфера, 2006, 392 с.

2. Гурин Е.И., Дятлов Л.Е., Коннов Н.Н., Попов В.К., Севастьянов А.В. Нониусный измеритель временных интервалов на П.Л.И.С.- Приборы и техника эксперимента, 2004, №4, с. 44-48.

3. Нониусный преобразователь время-код. - Патент РФ №2446427, МПК G04F 10/04. Опубл. 27.03.2012.

4. Способ рециркуляционного преобразования коротких одиночных временных интервалов в цифровой код. - Патент РФ №2496130, МПК G04F 10/04. Опубл. 20.10.2013.

5. Устройство для измерения интервала времени. - Патент РФ №2260830, МПК G04F 10/04. Опубл. 20.09.2005 (прототип).

1. Интерполирующий преобразователь интервала времени в цифровой код, содержащий кольцевой генератор импульсов, множеством своих выходов связанный с информационными входами первого регистра, одним из выходов - с первым входом счетчика импульсов, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам второго регистра, цифровые выходы первого и второго регистров соединены с соответствующими цифровыми входами арифметического блока, причем выход первого регистра присоединен через шифратор, а второго регистра - непосредственно, а также триггер, выходом присоединенный к второму входу счетчика импульсов, и входные зажимы сигналов «Старт» и «Стоп», отличающийся тем, что в него дополнительно введен блок контроля периода кольцевого генератора импульсов, цифровым выходом присоединенный к соответствующему цифровому входу арифметического блока, а сам кольцевой генератор импульсов снабжен входом блокировки, подключенным к первому входу триггера и через первый формирователь импульсов - к входному зажиму сигнала «Старт», при этом входной зажим сигнала «Стоп» через второй формирователь импульсов подключен к тактовым входам обоих регистров и второму входу триггера, а первый и второй входы блока контроля периода кольцевого генератора импульсов соединены соответственно с одним из выходов кольцевого генератора импульсов и с выходом триггера.

2. Интерполирующий преобразователь интервала времени в цифровой код по п. 1, отличающийся тем, что блок контроля периода кольцевого генератора импульсов выполнен в виде счетчика импульсов, первым входом присоединенного к выходу опорного генератора, а вторым входом совместно с тактовым входом регистра - к выходу делителя частоты, один вход делителя частоты служит первым входом блока контроля периода кольцевого генератора импульсов, а другой вход - его вторым входом, цифровой вход регистра подключен к цифровому выходу счетчика импульсов, а его цифровой выход служит цифровым выходом блока контроля периода кольцевого генератора импульсов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения однократных интервалов времени. Устройство содержит кольцевой генератор импульсов, один из выходов которого присоединен к первому входу счетчика импульсов, первый и второй регистры с объединенными информационными входами, выходами связанные через соответственно первый и второй шифраторы с соответствующими входами блока вычитания, а также триггер, один вход которого соединен с зажимом сигнала «Старт», а второй - с зажимом сигнала «Стоп» и тактовым входом третьего регистра, у которого информационные входы подключены к выходам счетчика импульсов, вторым входом присоединенного к выходу триггера.

Рециркуляционный способ измерения времени задержки распространения сигнала цифровых интегральных микросхем // 2545362

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения времени задержки распространения сигнала цифровых интегральных микросхем.

Широкодиапазонный нониусный рециркуляционный преобразователь временных интервалов в цифровой код // 2498384

Изобретение относится к измерительной технике. Преобразователь состоит из рециркулятора старт-импульса, рециркулятора стоп-импульса, первого и второго счетчиков импульсов, а также RS-триггера.

Способ рециркуляционного преобразования коротких одиночных временных интервалов в цифровой код // 2496130

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационных, управляющих и навигационных системах для преобразования длительности коротких одиночных временных интервалов, заданных старт- и стоповым импульсами, в цифровой код с нано- и субнаносекундной дискретностью преобразования.

Способ рециркуляционно-нониусного преобразования время - код // 2494430

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для преобразования однократных временных интервалов наносекундной длительности в цифровой код в системах радиолокации и радионавигации.

Способ рециркуляционного преобразования однократных временных интервалов наносекундной длительности в цифровой код // 2494429

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для цифрового преобразования однократных временных интервалов наносекундной длительности, заданных старт- и стоп-импульсами, с нано- и субнаносекундной дискретностью преобразования в системах навигации, управления, определения параметров интегральных схем, изучения различных физических и технологических процессов.

Способ рециркуляционного преобразования в код длительности коротких моноимпульсов // 2491596

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в системах навигации, управления, позиционирования для преобразования в цифровой код длительности коротких одиночных(моно) импульсов с нано- и субнаносекундной дискретностью преобразования.

Способ рециркуляционного преобразования временных интервалов наносекундной длительности в цифровой код // 2490684

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для цифрового преобразования однократных временных интервалов наносекундной длительности, заданных старт- и стоп-импульсами, с нано- и субнаносекундной дискретностью преобразования в системах навигации, управления, определении параметров интегральных схем, исследовании различных физических и технологических процессов.

Способ повышения быстродействия рециркуляционно-нониусных пвк // 2480804

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в устройствах, в которых необходимо преобразование в цифровой код одиночных коротких временных интервалов, в диапазоне длительностей от несколько единиц наносекунд до несколько сотен наносекунд, с дискретностью преобразования менее одной наносекунды, например в системах радиолокации и радионавигации, лазерной дальнометрии.

Двухкаскадный рециркуляционный преобразователь время-код // 2479004

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для преобразования одиночных временных интервалов наносекундного диапазона длительностей в цифровой код в системах импульсной радиолокации и радионавигации.

Нониусный рециркуляционный преобразователь время-код повышенного быстродействия // 2598975

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения цифровых преобразователей однократных наносекундных временных интервалов. Преобразователь имеет рециркулятор старт-импульса и рециркулятор стоп-импульса, выполненный на элементе ИЛИ, первый вход которого соединен с шиной «стоп-импульс» преобразователя, второй вход - с выходом линии задержки стоп-импульса, а выход - с первым входом элемента И, выход которого подключен к входу линии задержки стоп-импульса и к счетному входу счетчика импульсов, а рециркулятор старт-импульса содержит элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с шиной «старт-импульс» преобразователя, второй вход - с выходом линии задержки старт-импульса, а выход - с первым входом (m+1)-входового элемента ИЛИ и со входом m-отводной линии задержки, m-выходов которой подключены к D-входам соответствующих из m D-триггеров и к соответствующим входам (m+1)-входовые элементы ИЛИ, выход которой подключен к С-входу дополнительного D-триггера и к первому входу элемента И, выход которого соединен со входом линии задержки старт-импульса, а второй вход - со вторым входом элемента И рециркулятора стоп-импульса и с инверсным выходом дополнительного D-триггера, D-вход которого подключен к счетному входу счетчика импульсов рециркулятора стоп-импульсов, а прямой выход - к С-входам m D-триггеров, R-входы которых соединены с управляющим входом счетчика импульсов рециркулятора стоп-импульса, с R-входом дополнительного D-триггера и с шиной «начальная установка» преобразователя. При этом линия задержки стоп-импульса рециркулятора стоп-импульса имеет время задержки, равное времени задержки линии задержки старт-импульса рециркулятора старт-импульса. Технический результат заключается в повышении быстродействия преобразования в m раз. 2 ил.

Способ измерения временного интервала и варианты устройства его реализующего // 2615159

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при построении цифровых измерителей временных параметров периодических последовательностей импульсов. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит, главным образом, в расширении функциональных возможностей способа и соответственно устройств его реализующих, за счет снижения погрешности измерений в условиях, когда усреднение классическим способом к повышению точности не приводит. Технический результат достигается, главным образом, за счет периодического изменения фазы счетных импульсов, заполняющих исследуемый временной интервал из последовательности повторяющихся временных интервалов, и усреднения единичных значений, каждое из которых получено при отличающейся фазе счетных импульсов. Основу устройств, реализующих способ, составляют управляемая линия задержки, счетный и арифметический блоки, а также счетчик, в упрощенном варианте - триггер, управляющий линией задержки. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Многоканальное устройство для измерения временных интервалов // 2627136

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники и может использоваться, например, в многолучевых лазерных дальномерах и лазерных локаторах для измерения времени распространения лазерного излучения. Устройство включает канал измерения, состоящий из двух триггеров фиксации границ временного интервала, подключенных соответственно к управляющим входам двух мультивибраторов, выходы которых подключены к входам счетчиков импульсов и к входу фазового детектора, выход которого соединен со входом сброса триггеров фиксации границ временного интервала. Также в устройство введены генератор секундных импульсов, генератор опорной частоты, блок измерения опорной частоты, ко входам которого подключены выходы генератора секундных импульсов и генератора опорной частоты, контроллер, ко входам которого подключены выход блока измерения опорной частоты, выход фазового детектора и выходы счетчиков. Первый выход контроллера подключен ко вторым входам мультивибраторов для включения режима принудительной генерации, а второй выход контроллера является выходом измерителя временных интервалов, блок измерения частоты мультивибраторов, ко входам которого подключены выходы мультивибраторов и выход генератора опорной частоты, а выход блока измерения частоты мультивибраторов подключен к входу контроллера, который производит вычисление измеренного временного интервала. Технический результат заключается в упрощении устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ измерения времени задержки импульсов в линии связи // 2627200

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах тестирования цифровых линий связи и распределенных систем контроля с микромощными датчиками. Техническим результатом является повышение точности и достоверности результатов при сокращении сложности измерений. Такой технический результат достигается измерением времени прохождения импульса по линии связи до несогласованной нагрузки и обратно по длительности выходного импульса формирователя, установленного на входе линии связи. При этом резистор на входе линии связи замыкается на время заряда распределенной емкости линии связи и размыкается для приема сигнала, отраженного от конца линии связи при замыкании ее нагрузки. 2 ил.