СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ В КОД

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в системах обработки данных, формируемых импульсными датчиками.

Известны способы преобразования частоты следования импульсов в код, при которых формируют измерительный интервал T, равный промежутку времени между двумя последовательно действующими импульсами преобразуемой частоты, определяют количество N импульсов образцовой частоты в течение измерительного интервала Т и формируют код, пропорциональный частоте следования импульсов путем преобразования числа N в соответствии с формулой (Патент РФ №2173857, МПК G01R 23/00, 2001 г.; Патент РФ №2300112, МПК G01R 23/10, 2007 г.; Орнадский П.П. Автоматические измерения и приборы. - Киев, Вища школа, 1973, с. 404-405; Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства. - М.: Высшая школа, 1981, с. 156-160).

Сущность известных способов заключается в измерении периода Т следования импульсов путем подсчета с помощью счетчика количества импульсов N образцовой частоты в течение периода следования импульсов измеряемой частоты и вычислении частоты путем обратного преобразования числа подсчитанных за период Т следования импульсов.

Недостатком известных способов является малый диапазон преобразуемых частот с заданной точностью преобразования. Приближенно погрешность измерения частоты обратно пропорциональна числу импульсов образцовой частоты, подсчитанному за период, т.е.

где ƒ₀ - частота следования импульсов генератора опорной частоты. Это означает, что заданная погрешность преобразования определяет минимальное число импульсов, записываемых в счетчике за период максимальной входной частоты, например, N_мин=100. Максимальное число импульсов, записываемое в счетчике при минимальной частоте, определяется разрядностью счетчика. Например, при 10-разрядном счетчике N_макс=2ⁿ-1=1023.

Таким образом, недостаток известных способов - малый диапазон преобразуемых частот с заданной точностью преобразования.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является способ преобразования частоты следования импульсов в код, при котором формируют измерительный интервал Т, равный промежутку времени между двумя последовательно действующими импульсами преобразуемой частоты, определяют количество N импульсов образцовой частоты в течение измерительного интервала Т и формируют код, пропорциональный частоте следования импульсов путем преобразования числа N в соответствии с формулой (Патент РФ №2402025, МПК G01R 23/02, 2008 г.).

Известный способ основан на измерении периода Т следования импульсов путем подсчета с помощью счетчика количества импульсов N образцового генератора в течение периода и вычислении частоты путем обратного преобразования числа подсчитанных за период импульсов. Приближенно погрешность измерения частоты обратно пропорциональна числу импульсов образцовой частоты, подсчитанному за период, т.е.

где ƒ₀ - частота следования импульсов генератора опорной частоты. Это означает, что заданная погрешность преобразования определяет минимальное число импульсов, записываемых в счетчике за период максимальной входной частоты, например, при заданной погрешности 1% значение N_мин=100. Максимальное число импульсов, записываемое в счетчике при минимальной частоте, определяется разрядностью счетчика. Например, при 10-разрядном счетчике N_макс=2ⁿ-1=1023. При заданной разрядности счетчика снижение погрешности достигается увеличением N_мин и, следовательно, снижением диапазона преобразуемых частот.

Таким образом, недостаток известных способов - малый диапазон преобразуемых частот с заданной точностью преобразования.

Цель предлагаемого изобретения - расширение диапазона преобразуемых частот с заданной точностью преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе преобразования частоты следования импульсов в код, при котором формируют измерительный интервал Т, равный интервалу времени между двумя последовательно действующими импульсами преобразуемой частоты, определяют количество N импульсов образцовой частоты в течение измерительного интервала Т и формируют код, пропорциональный частоте следования импульсов путем преобразования числа N, дополнительно в каждом измерительном интервале изменяют частоту следования импульсов образцовой частоты по закону

,

где ƒ₀ - начальное значение образцовой частоты; γ - коэффициент пропорциональности; t - время,

а код, пропорциональный входной частоте, вычисляют по формуле

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ преобразования частоты следования импульсов в код имеет следующие отличительные признаки:

- в каждом измерительном интервале изменяют частоту следования импульсов образцовой частоты по закону

,

где ƒ₀ - начальное значение образцовой частоты; у - коэффициент пропорциональности; t - время;

- код, пропорциональный входной частоте, вычисляют по формуле

Следовательно, заявляемый способ преобразования частоты следования импульсов в код соответствует требованию «новизна».

По каждому отличительному существенному признаку проведен поиск известных технических решений в области измерительной техники.

Операции:

- в каждом измерительном интервале изменяют частоту следования импульсов образцовой частоты по закону

,

где ƒ₀ - начальное значение образцовой частоты; γ - коэффициент пропорциональности; t - время;

- код, пропорциональный входной частоте, вычисляют по формуле

в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружено.

Следовательно, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. Входные импульсы измеряемой частоты с выхода формирователя импульсов поступают на счетный вход счетчика. При этом частота импульсов, формируемых образцовым генератором, в каждом периоде импульсного сигнала преобразуемой частоты изменяется по закону

.

В результате в счетчике в конце периода измерения записывается число , которое пропорционально логарифму периода измеряемой частоты.

Вычислительное устройство выполняет вычисление частоты следования импульсов в функции полученного числа. Так как частота импульсов образцового генератора уменьшается в течение периода измерения, то число подсчитанных счетчиком импульсов с уменьшением частоты возрастает с меньшей скоростью, чем при постоянной частоте образцового генератора. В результате этого расширяется диапазон преобразуемых частот.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует требованию «положительный эффект».

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема, а на фиг. 2 приведены временные диаграммы работы устройства, реализующего способ преобразования частоты следования импульсов в код, поясняющие сущность изобретения. На фиг. 1 обозначено: 1 - образцовый генератор; 2 - формирователь входных импульсов; 3 - счетчик; 4 - буферный регистр; 5 - вычислительное устройство. На фиг. 2 символами u₁ и u₂ обозначены выходные сигналы соответственно образцового генератора 1 и формирователя импульсов 2, символом N₃ - число, записываемое в первом счетчике 3. При этом число N₃, формируемое путем счета импульсов высокой частоты, упрощенно представлено линией.

В устройстве, реализующем предлагаемый способ преобразования частоты следования импульсов в код, образцовый генератор 1 соединен выходом со счетным входом счетчика 3, выход которого подключен через буферный регистр 4 к входу вычислительного устройства 5, формирователь входных импульсов 2 выходом подключен к объединенным управляющим входам образцового генератора 1, счетчика 4 и буферного регистра 5.

Работа преобразователя частоты следования импульсов в код происходит следующим образом. Входные импульсы измеряемой частоты ƒ с выхода формирователя импульсов 2 поступают одновременно на управляющие входы образцового генератора 1, счетчика 4 и буферного регистра 5. В начале каждого периода следования импульсов измеряемой частоты содержимое счетчика 3 записывается в буферный регистр 4, счетчик 3 устанавливается в состояние, соответствующее записи в нем 0, образцовый генератор устанавливается в начальное состояние, соответствующее формированию образцовых импульсов с частотой ƒ₀. Далее образцовый генератор 1 формирует импульсы, частота которых изменяется по закону

.

Эти импульсы поступают на счетный вход счетчика 3, который имеет разрядность n. Процесс счета выходных импульсов образцового генератора 1 продолжается до момента поступления очередного импульса с выхода формирователя импульсов 2. За интервал измерения Т, равный интервалу времени между двумя последовательно действующими импульсами с выхода формирователя импульсов 2, в счетчике 3 записывается число

где u_2k(t) - символ единичного импульса, действующего с выхода формирователя импульсов 2,

t_k - момент действия k-го импульса образцовой частоты, k=1, …, N.

Частота следования входных импульсов определяется из выражения (2) и равна

Последующий импульс, поступивший с выхода формирователя импульсов 2, передним фронтом производит запись содержимого счетчика 3 в буферный регистр 4, а задним фронтом производит сброс счетчика 3. В результате этого в первом буферном регистре 4 сохраняется число N импульсов, просуммированных за период Т следования входных импульсов. Далее процесс повторяется.

Код с выхода буферного регистра 4 поступает на вход вычислительного устройства 5. В вычислительном устройстве 5 вычисляется частота следования импульсов по формуле (3).

Число N, накапливаемое в счетчике 3 за интервал измерения, определяет погрешность преобразования в соответствии с уравнением (1). Минимальное значение числа N_мин, определяющее заданную точность, и максимальная частота входных импульсов F_макс связаны соотношением

Если принять

то в соответствии с уравнением (4) максимальная частота следования импульсов при преобразовании в код с заданной погрешностью будет равна

Число, записываемое в счетчике 3, с учетом (2) и (5) равно

Погрешность преобразования определяется выражением

Минимальная частота F_мин, которая может быть преобразована в код, определяется разрядностью n счетчика 3. Подставив в уравнение (7) максимальное значение числа N, записываемого в n-разрядном счетчике, получим

Решение уравнения (8) относительно F_мин дает выражение

Диапазон преобразуемых частот определим с учетом (6) по формуле

При использовании известных способов, реализуемых в соответствии с техническими решениями прототипа и аналогов, максимальная частота определяется числом N_мин, записываемым в счетчике за период Т входных импульсов, и равна

Минимальная частота преобразования определяется разрядностью счетчика и равна

Диапазон преобразуемых частот для известных способов равен

Так как в практических задачах всегда , то и D>D^п. Например, при n=8 и N_мин=100 диапазоны измеряемых частот в соответствии с выражениями (9) и (10) для предлагаемого способа и известного технического решения равны соответственно: 7,5 и 2,56. При n=12 и N_мин=1000 диапазоны измеряемых частот в соответствии с выражениями (9) и (10) для предлагаемого способа и известного решения равны соответственно: 34,4 и 4,1.

Таким образом, использование в способе преобразования частоты следования импульсов в код, при котором формируют измерительный интервал Т, равный интервалу времени между двумя последовательно действующими импульсами преобразуемой частоты, определяют количество N импульсов образцовой частоты в течение измерительного интервала Т и формируют код, пропорциональный частоте следования импульсов путем преобразования числа N, дополнительно операций: в каждом измерительном интервале изменения частоты следования импульсов образцовой частоты по закону

где ƒ₀ - начальное значение образцовой частоты; γ - коэффициент пропорциональности; t - время,

и вычисления кода, пропорционального входной частоте, по формуле , обеспечивает повышение точности преобразования частоты следования импульсов в код в широком диапазоне изменения входной частоты.

Использование предлагаемого технического решения в измерительных системах, работающих с импульсными датчиками физических величин, позволит расширить диапазон частот обработки данных и повысить качество работы систем автоматики.