Устройство для измерения частоты сигналов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

COIO3 COBOTCkNN

Социалнстнчвскик

Республик (и> 875293

{61) Дополнительное к авт. свнд-ву

{22)Заявлено12.02.80 {21) 2879693/)8-21 с присоединением заявки М—

{23) Прмормтет —. (5! )М. Кл.

G 0.1 R 23/00

Ввударавекыб квнктет

СССР ае дедам кзввретекн1 н вткрнтк11

Ояублнковамо. 23.10.81. бюллетень М 39

Дата онублнковання ояисамия 25. 10. 81 (5З) ) В 621 ° 317..7(088.8) Ю.- В. Иванов, А. М. Потапов, В. И. Троянов и А. Я. 111евченко j (72) Авторы изобретения

{7i ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ

Устройство относится к пифровой технике и предназначено для использования в системах автоматизации научных исследований и в автоматизированных системах управления на основе ЭВИ.

Известны устройства для измерения частоты сигналов путем счета импульсов на фиксированном интервале време«- ни, содержащие генератор эталонной частоты, формирователь временных интервалов, входной формирователь, ключевую

I0 схему, счетчик импульсов и блок управ-. ления jl).

Недостаток известных устройств заIS ключается в ограниченных функциональных возможностях и низкой точности измерения. г

Наиболее близким к предлагаемому устройству является цифровое устройство для обработки сигналов частотных датчиков, содержащее входной формирователь, блок ключей, счетчик импульсов, генератор эталонной частоты, формирователь временных интервалов н блок управления (2.j. . Недостатком устройства является невозможность его использования в современных системах с многофункциональным назначением отдельных элементов и потеря точности вследствие "старения" информации, если приемное устройство оказывается занятым к моменту окончания очередного измерения.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей при одновременном повышении точности устройства.

Эта цель достигается тем, что в устройство для измерения частоты сигналов, содержащее последовательно соединенные входной формирователь, блок ключей и счетчик импульсов, последовательно соединенные генератор эталонной частоты, формирователь временных ин-. тервалов и основной блок управления, первый выход которого подключен к второму входу формирователя временных интервалов, третий вход которого соеди875293 нен с вторым выходом основного блока управления и с вторым входом счетчика импульсов, введен дополнительный блок управления, первый вход которого соединен с четвертым входом формирователя временных интервалов, при этом вто-. рой вход дополнительного блока управления подключен к третьему входу счетчика импульсов, пятый вход формирователя временных интервалов соединен с 10 вторым входом блока ключей, третий вход которого подключен к второму выходу формирователя временных интерва-. лов. !

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 — структурная схема блока 113) управления; на фиг. 3— схема анализа точности; на фиг. 4 и

5 — вид рассчитанных вспомогательных функций, определяющих точность.

Устройство содержит генератор l эталонной частоты импульсов формиро— ватель 2 временных интервалов, входной формирователь 3, блок 4 ключей, счетчик 5 импульсов, блок 6 управления, образующих известную конфигурацию измерителя 7 частоты, входную клемму 8 устройства, выходной разъем 9, управляющие входную и выходную клеммы 10 и 11 устройства соответственно. При необходимости разъем 9 и клеммы 10 и

11 управляющих сигналов могут быть соединены с внешним устройством, например с ЦВИ.

Чтобы расширить возможности управ35 ления устройством, а также повысить коэффициент использования оборудования, в него введен дополнительный управляющий вход 12. Кроме того, в устройстве введен дополнительный блок 13 управ40 ления, причем его первый вход соединен с внешним управляющим входом 14 и с двунаправленным внешним управляющим входом 15. При этом управляющие входы 12, 14 и 15 могут подключаться и к 45 внешнему устройству, например к ЦВМ.

В общем случае структурная схема выполнения блока 13 управления может иметь вид, представленный на фиг ° 2.

Этот блок содержит блок 16 управления и две симметричные группы блоков: групповые элементы 17 и 18 или блоки 19 и 20 хранения кода и четыре группы элементов 21-24, блок 16 управления имеет один вход, соединенный 55 с внешним управляющим входом 14 и четыре выхода, причем первый выход подключен к соединенным между собой управляющим входам элементов 21 и 23, а второй и третий выходы — к управЛякщим входам элементов 22 и 24 соответственно. Двунаправленные входы блоков 19 и 20 хранения кода подключены к первым информационным входам элементов 21 и 23 соответственно, вторые информационные входы-выходы элементов 21 и 23 подключены соответственно. через групповые элементы 17 и 18 к двунаправленным входам блока 2 формирования временных интервалов и счетчика 5. Другие входы-выходы групповых элементов 17 и 18 через группы элементов 22 и 24 соединены с внешним входом 15.

Следует отметить, что, когда в качестве внешнего устройства используется ЦВМ,функции блоков 19 и 20 могут выполнять ячейки ОЗУ, а функции остальных узлов блока 13 — схема управления ЦВМ.

Работа устройства может проходить в трех режимах, а именно в режиме обычного измерения частоты, в режиме измерения частоты с прерыванием и в ре— жиме использования счетчиков устройства в качестве универсальных регистров общего назначения.

Работа в режиме обычного измерения частоты происходит следукщим образом.

Сигналы на управляющих входах 12, 14 и 15 отсутствуют и дополнительный управляющий вход 12, а также блок 13 управления не влияют на работу устройства.

Цикл работы устройства начинается с появления сигнала."Пуск" на управлякщем входе 10. По этому сигналу блок 6 управления вырабатывает импульсный сигнал сброса, который, поступая с первого выхода блока б на вторые входы формирователя 2 временных интервалов и счетчика 5, приводит их в исходное состояние. С некоторой задержкой, достаточной для вынолнеиия указанных действий, на втором выходе блока 6 управления возникает сигнал, запускающий схему формирования фиксированного временного интервала в блоке 2, которая работает по принципу счета эталонных импульсов, поступающих от генератора 1. Одновременно на первом выходе блока 2 формирователя временных интервалов появляется сигнал, разрешающий прохождение .импульсов, сфор— мированных входным формирователем 3 через блок 4 к первому входу счетчика 5. Формирователь 2 временных ин875293 тервалов, отсчитав заданное число эталонных импульсов, снимает сигнал со

l своего первого выхода, закрывая таким образом блок 4 и прекращая счет сформированных входных импульсов счетчиком 5. Одновременно на втором выходе формирователя 2 временных интервалов возникает сигнал, извещакщий блок 6 управления от окончания счета. Блок 6 управления формирует и выдает на 10 внешний выход 11 устройства сигнал

"Готов", который извещает об окончании цикла измерения и о наличии сформированного выходного кода на разъеме 9. l5

Работа в режиме измерения частоты с прерыванием происходит следукщим образом. Начало работы в этом режиме ничем не отличается от обычного режима работы. После получения сигнала "Пуск" со стороны внешней клеммы 10 блок управления, приведя в исходное состояние формирователь 2 временных интервалов и счетчик 5, запускает формирователь 2 временных интервалов. В свою очередь формирователь 2 временных интервалов выдает управляющий сигнал на блок 4, разрешая таким образом счет сформированных входных импульсов счет30 чиком 5.

При необходимости прервать при— остановить) процесс измерения внешнее .устройство, например ЦВМ, присылает блокирующий сигнал на управляющий вход 12. Этот сигнал, поступая на вход блока 4.и на вход формирователя 2 вре- менных интервалов, запрещает на все время своего существования прохождение и счет импульсов, как сформирован- 4О ных из входного сигнала, так и от генератора 1. При этом. текущее состояние счетчика 5 и счетчика в схеме" формиро«вания временных интервалов сохраняется, так что после снятия сигнала с уп- 45 равляющего входа !2 отсчет временного интервала и счет сформированных входных импульсов возобновляется .с прерванного состояния (с точностью до фазы).

Заметим, что появление и снятие блокирующего сигнала на входе 12 до запуска устройства со стороны входа 1О никакого эффекта не вызывает. Появление запускающего сигнала на входе 10 во время наличия блокирующего сигнала

55 на входе 12 подготавливает с помощью блока 6 управления запуск формировате ля 2 временных интервалов и счетчи1 ка 5, сбрасывая их в исходное состояние, но фактически начало измерения при этом производит лишь снятие блокирующего сигнала на входе !2.

Работа в режиме использования счетчиков устройства в качестве универсальных регистров общего назначения происходит следукщим образом.

Этот режим является дальнейшим развитием предыдущего режима работы предлагаемого устройства. В состоянии прерывания счетчик 5 и счетчик эталонных импульсов в формирователе 2 временных интервалов фактически бездействуют в то время, как они могли бы выполнять другую полезную работу в качестве универсальных регистров общего назначения. С этой целью после перевода устройства в режим прерывания с помощью включения блокирукщего сигнала на вход 12 внешнее устройство (или ЦВМ) подает дополнительный сигнал на управляющий вход 14. Под воздействием этого сигнала блок !3 управления организует пересылку и запоминание текущего состояния счетчика 5 и счетчика из формирователя 2 временных интервалов, используя для этого дополнительные двунаправленные линии связи с этими блоками. Затем по этим же линиям и с использованием своих внутренних схем блок 13 управления подключает укаэанные счетчики к внешнему устройI ству в качестве универсальных регистров общего назначения. (Под воздействием сигнала со входа 14 блок 16 уп,равления выдает импульсный сигнал со ! своего первого выхода на разрешающие входы элементов 21 и 23, что обеспечивает запись кодов из формирователя 2 и счетчика 5 в блоки 19 и 20. Затем сигнал на первом выходе блока 16 снимается и в определенной последовательности выдаются разрешающие сигналы на управляющие входи элементов 22 и 24, организуя таким образом двусторонний обмен кодами с внешним устрой- . ством ЦВМ j через разъем 15).

По окончании необходимых операций возвращение к обычному режиму счета происходит в следукщей последовательности.

Внешнее устройство (ЦВИ) снимает сигнал с управляющего входа 14, при этом блок 13 управления восстанавливает состояние счетчика 5 и счетчика в формирователе 2 временных интервалов (закрывая элементы 22 и 24 и открывая на некоторое время элементы 21 и 23). Затем внешнее устройст875293

К (1(".) — ковариационная функция сигнахх ла x(t);

Р . .(®)- взаимная корреляционная функция весовых функций

h„(t), hу(t), определяемая как (6), 0 вне этого интервала

"-(У -2 ХК (С }Й . (,}с1С+Х К (СЩ ..x 55

МС XX ф)g 1 g XX Ф1Й)

«(tMс, (3} где М - знак математического ожидания; во (с необходимой задержкой ) снимает блокируюший сигнал с управляющего входа 12 и устройство возвращается в режим (ожидания запускающего. сигнала или йзмерения), из которого оно было выведено по прерыванию.

При использовании прерывания результирующая точность используемой информации, подготовленной устройством, возрастает. о

Известно, что устаревшая информация теряет свою ценность. Для рассматриваемого устройства этот общий эффект может быть оценен количественно.

Если оказывается, что к моменту окончания преобразования устройство, для которого предназначалась информация, свободно, то она немедленно используется. Если же устройство занято на время Т, то на такое.же время "ус- 20 таревает" информация и при ее использовании (вместо желаемого сигнала) возникает некоторая ошибка. В том случае, когда после начала процесса преобразования выясняется, что к концу преобразования устройство приема информации будет занято и процесс преобразования прерывается (приостанавливается) на время занятости приемника информации возникает ошибка отноЭ зо сительно желаемого сигнала, однако возникакщая ошибка оказывается меньше, чем в первом случае.

Схема анализа приведена на фиг.3.

В общем случае сигнал на выходе преобразователя описывается уравнением свертки <<) = Хм()х(- )ar, (» c где х (t ) — входной сигнал, h (t) — весовая функция (линейного) динамическо- "о го преобразователя.

Мгновенная погрешность динамического канала оценивается разностью

>1Н) =Уж(+-} („(+) (2) где ))((t} — выходной желаемый сигнал; (1 (t) — выходной сигнал 4-го канала.

Для стационарного случайного сигнала x(t) математическое. ожидание

MI ;(Е}j=O 1 а дисперсия погрешности

50 с учетом (1 } определяется как а„ .: м(1(„(+ф„(()(, ю3+ м(1 (1(*+ > >. =Гй„-(} ;(. ж

1) Для оценки точности двух цепей с весомыми функциями h<(t), h<(t) относительно сигнала на выходе желаемого оператора h+(t) можно сравнить дисперсии сигналов ошибки, описываемых выражением (3) Для желаемого преобразования h..(t)

Ж, имеет вид й,К() = — T ФФа О»6-т

0 вне этого интервала

Для случая, когда по окончании работы преобразователя полученный отчет используется спустя время Ту, для on"" ределения выходного сигнала по формуле (1 ) достаточно положить 1„() = 1, (+) = —,.1уи,Т «+. т+т, ().

Наконец, если спустя время после начала преобразования оно было прервано на время Т и затем продолжено, то весовая функция преобразователя может быть описана как - +u. О - Ь «Т-Л.

Т у(т+ т- М1т т, 1

0 вне этих интервалов. (8)

Выполняя интегрирование в (4 ) в соответствии с пределами изменения переменных в (6)-(8), найример, для случая («т+тъ чпиТ я ). л,tfoIIHQ получить (С)= Т И з(с О -<«7 (9), 0 вне этих интервалов

875293

10 — (+ ) o= =y, 1 / 2(e)

1 ф +т (рт с1, . — 1" — ) и тц. „<®«g+T 5

1l Х+тр

Т 1- Т) ++73 «Тй/Х4 Т»t. « С «т — Л- + ТЪ !

4 1 ТЪ-(С) 10 — + x- + ò «÷;+-ã, Т ) !

0 вне этих интервалов ((О).

С-Тъ — — ) а-т т пт,„ — (- - = —, т -Ст+Т (11)

О вне этих интервалов — ($+ ) 1фи -7 «, « — » .» 20

" (q ) -ë«ñ +г 2-Е - ") ) хх т(4 Т. ) tq — А+тЗЯ О, Л Т -(, Т ) й/ж 0, Т3

Т-() Э я т «Z «т-К»

2 3 у т-г З0

"+ +Т) и Т- »-+ТЗ - +Т3 вне этих интерволоь т т г, R< (с) (16) Вид рассчитанных зависимостей и их разности показан на фиг. 4 и 5.

Разности, заключенные в каждую из квадратных скобок выражения (5), характеризуются совершенно одинаковыми фигурами, так что результат их интегриро40 вания определяется затухакщим характером ковариационной функции К Т, с весом которой они интегрируются.

45 формула изобретения

55

Фигуры ОАВС и 0EFG, а также ОИК1 и NNPQ попарно повторяют друг друга с точностью до зеркального отражения относительно оси абсцисс и сдвига вдоль нее на .Т-Х на фиг. 4 и на Я.-Т на фиг. 5. Дополнительной особенностью указанных фигур является одинаковая высота всех трапеций и равный наклон их боковых сторон; наличие симметричного отражения вдоль оси ординат на фиг. 4 компенсируется удвоенным весом второй квадратной скобки в выражении (5).

С учетом указанного для распространенного класса сигналов экспоненциальной корреляционной функцией интегрирование в (5) дает (((а(Фи,(Р -"(,(,(М

- га -е "Т )" у СС)Е" ИС (И)

JК„„(с)2(1, М (zj-К(((s))dc=

=20 (1 е й(л тъ1)1R е (ОНК4 (

2 в(15 ) начинает превышать соответствующий интеграл в (14), но выражение в квадратных скобках, как и все выра-. жение (14) в целом по прежнему превышают результат (15) . При этом, как следует из (5), всюду оказывается, что

Ь 0.

Таким образом, при использовании прерывания на время занятости приемного устройства среднеквадратичное отклонение результата от желаемого сигнала меньше (лучше), чем при задержке на то же время измеренного ранее сигнала.

Устройство для измерения частоты сигналов, содержащее последовательно соединенные входной формирователь, блок ключЕй и счетчик импульсов, последовательно соединенные генератор эталонной частоты, формирователь временных интервалов и основной блок управления, первый выход которого подключен к второму входу формирователя временных интервалов, третий вход которого соединен с вторым выходом основно875293

12 фиг.1

ro блока управления и с вторым входом счетчика импульсов, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функцйонвльных возможностей при одновременном повышении точности, в него введен дополнительный блок управления,. первый вход которого соединен с четвертым входом формирователя временных интервалов, при этом второй вход дополнительного блока управления под- 10 ключен к третьему входу счетчика импульсов, пятый вход формирователя временных интервалов соединен с вторым входом блока ключей,.третий вход которого подключен к второму выходу формирователя временных интервалов.

Источники информации. принятые во внимание при экспертизе

1 ° Измерения в электронике ° Справочник под ред. Доброхотова В.А. т.2, М.-Л., "Энергия", 1965, с. 25.

2. Авторское свидетельство СССР № 657363, кл. С 01 R 23/00, 1976 (прототип).

875293

than ю т-я т-з+т

Фиг.5

ВНИИПИ Заказ 9326/70 Тираж 735 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4