ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ В КОД

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

Известны преобразователи частоты следования импульсов в код, содержащие образцовый генератор, соединенный выходом со счетным входом первого счетчика, выход которого подключен через буферный регистр к первому входу вычислительного устройства, формирователь входных импульсов, выход которого подключен к управляющему входу счетчика (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).

Принцип действия известных устройств основан на измерении периода Т следования импульсов путем подсчета с помощью счетчика количества импульсов N образцового генератора в течение периода следования импульсов измеряемой частоты и вычислении частоты путем обратного преобразования числа подсчитанных за период T следования импульсов.

Недостатком известных устройств является низкая точность в широком диапазоне измеряемых частот. 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 при изменении входной частоты в 100 раз, погрешность преобразования также изменяется в 100 раз.

Таким образом, недостаток известных устройств - низкая и переменная точность в широком диапазоне изменения входной частоты.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является преобразователь частоты следования импульсов в код, содержащий образцовый генератор, соединенный выходом со счетным входом первого счетчика, второй счетчик, формирователь входных импульсов, два буферных регистра, входы которых соединены с выходами счетчиков, элемент НЕ, два элемента И, блок управления, ПЗУ, формирователь сигнала «Готовность», причем вход устройства соединен через формирователь импульсов с первым входом блока управления, третий вход которого подключен к первому выходу образцового генератора, управляющий вход первого счетчика подключен к первому выходу блока управления, выход формирователя сигнала «Готовность» соединен с одноименным выходом устройства (патент РФ №2402025, МПК G01R 23/02, 2008 г.).

Принцип действия известного устройства 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 измерения импульсов. Приближенно погрешность измерения частоты обратно пропорциональна числу импульсов образцовой частоты, подсчитанному за период, т.е. где ƒ₀ - частота следования импульсов генератоpa опорной частоты. Это означает, что при изменении входной частоты в 100 раз, погрешность преобразования также изменяется в 100 раз.

Таким образом, недостаток известного устройства - низкая и переменная точность в широком диапазоне изменения входной частоты.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности преобразования частоты следования импульсов в код в широком диапазоне изменения входной частоты.

Поставленная цель достигается тем, что в известный преобразователь частоты следования импульсов в код, содержащий образцовый генератор, соединенный выходом со счетным входом первого счетчика, второй счетчик, формирователь входных импульсов, два буферных регистра, входы которых соединены с выходами счетчиков, элемент НЕ и два элемента И, дополнительно введены вычислительное устройство и арифметическое пороговое устройство, вход которого подключен к выходу первого счетчика, а выход соединен с первым входом первого элемента И непосредственно и с первым входом второго элемента И через элемент НЕ, вторые входы первого и второго элементов И объединены и подключены к выходу формирователя входных импульсов, выход первого элемента И подключен к объединенным управляющим входам первого и второго счетчиков и первого и второго буферных регистров, а выход второго элемента И подключен к счетному входу второго счетчика, выходы первого и второго счетчиков через первый и второй буферные регистры подключены к входам вычислительного устройства.

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

- вычислительное устройство;

- арифметическое пороговое устройство.

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

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

Известны вычислительные устройства в преобразователях частоты следования импульсов в код (патент РФ №2380716, МПК G01R 23/02, 2010 г.). В предлагаемом устройстве и известных технических решениях вычислительные устройства выполняют аналогичные функции: вычисление частоты путем обратного преобразования числа, пропорционального периоду.

Арифметические пороговые устройства в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружены.

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 первого счетчика. Арифметическое пороговое устройство выполняет сравнение двоичного кода на выходе первого счетчика с пороговым значением - числом N₀. Второй счетчик выполняет суммирование (счет) входных импульсов в течение интервала времени, в течение которого число, записанное в первом счетчике, меньше N₀. После превышения числом, записанным в первом счетчике, порогового значения N₀ счет импульсов образцового генератора продолжается до момента поступления импульса преобразуемой частоты. В этот момент происходит запоминание числа, записанного в первом счетчике, и числа, записанного во втором счетчике, которое равно числу целых периодов импульсов входной частоты. Вычислительное устройство выполняет вычисление частоты импульсов в зависимости от запомненных значений первого и второго счетчиков. Так как число подсчитанных первым счетчиком импульсов всегда больше N₀, то погрешность преобразования в соответствии с выражением (1) не превышает значения при любой входной частоте следования входных импульсов.

В результате обеспечивается высокая точность преобразования частоты следования импульсов в широком диапазоне изменения входной частоты.

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 преобразователя частоты следования импульсов в код, поясняющие сущность изобретения. На фиг. 1 обозначено: 1 - образцовый генератор; 2 - формирователь входных импульсов; 3 и 6 - первый и второй счетчики; 4 и 5 - первый и второй элементы И; 7 - арифметическое пороговое устройство; 8 и 10 - первый и второй буферный регистры; 9 -элемент НЕ; 11 - вычислительное устройство. На фиг. 2 символом и с соответствующими индексами обозначены выходные сигналы элементов устройства, символами N₃ и N₆ - числа, записываемые соответственно в первом и втором счетчиках 3 и 6. При этом число N₃, формируемое путем счета импульсов высокой частоты, упрощенно представлено линией.

В преобразователе частоты следования импульсов в код образцовый генератор 1 соединен выходом со счетным входом первого счетчика 3, выход которого подключен через первый буферный регистр 8 к первому входу вычислительного устройства 11, формирователь входных импульсов 2 выходом подключен к объединенным вторым входам первого и второго элементов И, счетный вход второго счетчика 6 подключен к выходу второго элемента И 5, а выход подключен через второй буферный регистр 10 к второму входу вычислительного устройства 11, вход арифметического порогового устройства 7 подключен к выходу первого счетчика 3, а выход соединен с первым входом первого элемента И 4 непосредственно и с первым входом второго элемента И 5 через элемент НЕ 9, выход первого элемента И 4 подключен к объединенным управляющим входам первого и второго счетчиков 3 и 6 и первого и второго буферных регистров 8 и 10.

Преобразователь частоты следования импульсов в код работает следующим образом. Входные импульсы измеряемой частоты ƒ с выхода формирователя импульсов 2 поступают одновременно на вторые входы первого и второго элементов И 4 и 5. Выходные импульсы образцового генератора 1, следующие с частотой ƒ₀, ƒ₀>>ƒ, поступают на счетный вход первого счетчика 3. Первый счетчик 3 имеет разрядность n. При этом разрядность первого счетчика 3 выбирается из соотношения

где ƒ_мин - минимальное значение частоты следования импульсов.

Арифметическое пороговое устройство 7 выполняет сравнение двоичного кода на выходе первого счетчика 3 с пороговым значением - числом N₀, которое выбирается из условия

Если записанное в первом счетчике 3 число N<N₀, то на выходе арифметического порогового устройства 7 действует сигнал логического нуля, а на выходе элемента НЕ 9 - сигнал логической единицы. Сигнал логической единицы с выхода элемента НЕ 9 действует на первом входе второго элемента И 5 и, следовательно, разрешает счет числа входных импульсов вторым счетчиком 6. Сигнал логического нуля с выхода арифметического порогового устройства 7, действующий на входе первого элемента И, запрещает сброс первого и второго счетчиков 3 и 6 и запись данных в буферные регистры 8 и 10.

Входные импульсы измеряемой частоты с выхода формирователя импульсов 2 поступают через элемент И 5 на счетный вход второго счетчика 6. При этом в нем происходит суммирование импульсов и формирование на выходе двоичного числа М, соответствующего этой сумме.

В процессе счета импульсов опорного генератора 1 число в первом счетчике 6 достигает порогового уровня N₀ (моменты времени t₁ и t₃ на фиг. 2). При N≥N₀ на выходе арифметического порогового устройства 7 формируется сигнал логической единицы, а на выходе элемента НЕ 9 - сигнал логического нуля. В этом режиме сигнал логической единицы с выхода арифметического порогового устройства 7, действующий на первом входе элемента И 4, формирует разрешение сброса первого и второго счетчиков 3 и 6 и записи содержимого этих счетчиков в буферные регистры 8 и 10. Сигнал логического нуля, действующий с выхода элемента НЕ 9 на первом входе второго элемента И 5, запрещает счет входных импульсов вторым счетчиком 6. В результате этого первый импульс, поступивший с выхода формирователя импульсов 2, при выполнении условия N≥N₀ передним фронтом производит запись содержимого первого и второго счетчиков 3 и 6 в буферные регистры соответственно 8 и 10 и сброс задним фронтом первого и второго счетчиков 3 и 6 (моменты времени t₂ и t₄ на фиг. 2). В результате этого в первом буферном регистре 8 сохраняется число N импульсов, просуммированных за целое число М+1 периодов следования входных импульсов, а во втором буферном регистре сохраняется число М. Далее процесс повторяется.

Коды с выходов первого и второго буферных регистров 8 и 10 поступают на входы вычислительного устройства 11. В вычислительном устройстве 11 вычисляется частота следования импульсов по формуле

где τ - интервал измерения, равный М+1 периодам следования импульсов измеряемой частоты.

Погрешность преобразования частоты следования импульсов в код определяется по формуле (1). Эта погрешность обратно пропорциональна числу импульсов образцового генератора, накопленных за интервал измерения τ. При n-разрядном счетчике и выборе порогового значения арифметического порогового устройства 7 из условия N₀≈2^n-1 число, накапливаемое в первом сумматоре 3, принадлежит диапазону N₀<N<2N₀. Следовательно, погрешность преобразования частоты следования импульсов в код находится в диапазоне

или 2^-n<δ_ƒ<2^-n+1.

Время измерения зависит от периода следования импульсов измеряемой частоты и числа N, записываемого в первом счетчике в конце интервала счета, и равно

Так как число импульсов, записываемое в первом счетчике в конце интервала счета, принадлежит диапазону N₀<N<2N₀, то, следовательно, время измерения определяется по формуле

или

Минимальная измеряемая частота следования импульсов определяется разрядностью первого счетчика 3 в соответствии с выражением (2) по формуле

Максимальная частота следования входных импульсов определяется разрядностью второго счетчика 6. При равной разрядности первого и второго счетчиков 3 и 6 максимальная частота следования входных импульсов равна

Для известных счетчиков (аналогов и прототипа) минимальная частота входных импульсов также определяется разрядностью счетчика в соответствии с выражением (3). Максимальная частота определяется допустимой погрешностью преобразования. В соответствии с выражением (1) она равна

Если принять δ_ƒ=0,01, то т.е. в 200 раз меньше, чем в предлагаемом устройстве. При этом погрешность преобразования увеличивается пропорционально измеряемой частоте следования импульсов.

Таким образом, использование в преобразователе частоты следования импульсов в код, содержащем образцовый генератор, соединенный выходом со счетным входом первого счетчика, второй счетчик, формирователь входных импульсов, два буферных регистра, входы которых соединены с выходами счетчиков, элемент НЕ, два элемента И, дополнительно вычислительного устройства и арифметического порогового устройства, вход которого подключен к выходу первого счетчика, а выход соединен с первым входом первого элемента И непосредственно и с первым входом второго элемента И через элемент НЕ, при этом вторые входы первого и второго элементов И объединены и подключены к выходу формирователя входных импульсов, выход первого элемента И подключен к объединенным управляющим входам первого и второго счетчиков и первого и второго буферных регистров, а выход второго элемента И подключен к счетному входу второго счетчика, выходы первого и второго буферных регистров подключены к входам вычислительного устройства, обеспечивает повышение точности преобразования частоты следования импульсов в код в широком диапазоне изменения входной частоты.

Использование предлагаемого технического устройства в измерительных системах, работающих с импульсными датчиками физических величин, позволит повысить точность обработки данных и качество систем измерительной техники и автоматики.