ФОРМИРОВАТЕЛЬ МЕТОК ВРЕМЕНИ

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может быть использовано в системах автоматического измерения и контроля, а также в измерительно-вычислительных комплексах на базе микро-ЭВМ.

Известен многоканальный измеритель временных интервалов (см. патент РФ №2429515, «Многоканальный измеритель временных интервалов», Егоров Л.Б., Кирсанов К.С., Цетлин И.В., опубл. 20.09.2011), содержащий счетчик времени, счетный вход которого подключен к шине временных импульсов, вход сброса подключен к шине опорных импульсов, а группа выходов подключена к первой группе информационных входов запоминающего устройства, адресная группа входов которого подключена к выходам первого счетчика, второй счетчик, вход которого подключен к шине тактовых импульсов, а выходы соединены с группой адресных входов коммутатора, триггер, вход которого соединен с шиной опорных импульсов, n-входных шин, второе запоминающее устройство, регистр и входные формирователи, каждый из которых включает в себя счетчик фронтов, счетчик срезов, селектор фронтов и срезов, первый и второй элементы И, первые входы которых подключены к выходам счетчиков фронтов и срезов соответственно, а вторые входы подключены к счетным входам счетчиков фронтов и срезов и к первому и второму выходам селектора фронтов и срезов соответственно, информационный вход которого соединен с соответствующей входной шиной, а тактовый вход подключен к шине тактовых импульсов и к входам записи первого и второго запоминающего устройств, входы разрешения которых соединены с выходом коммутатора и со счетным входом первого счетчика, выходы которого подключены к группе адресных входов второго запоминающего устройства и к информационным входам регистра, тактовый вход которого соединен с входом сброса первого счетчика и с шиной опорных импульсов, выходы первого и второго элементов И каждого входного формирователя соединены с соответствующими информационными входами коммутатора, группа адресных входов которого соединена с вторыми группами информационных входов первого и второго запоминающих устройств.

Недостатками данного устройства являются сложность и ограниченные функциональные возможности, так как устройство позволяет измерять лишь временные параметры исследуемых сигналов, а для измерения параметров их формы (амплитуда, наклон фронтов и т.д.) требуются дополнительные измерительные приборы (осциллографы, спектральные анализаторы и т.д.). Кроме того, регистрация данного устройства как средства измерения существенно повышает его стоимость и стоимость системы контроля в целом.

Известно устройство для формирования серий импульсов (см. авторское свидетельство СССР №980259, «Устройство для формирования серий импульсов», Митин Г.П., Шанин А.В., опубл. 07.12.82, БИ №45), содержащее генератор импульсов, выход которого подключен к первому входу элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом триггера, первый вход которого соединен с выходом переполнения счетчика импульсов, программный блок, многовходовый элемент И и элементы неравнозначности. Первые входы элементов неравнозначности подключены к выходам программного блока, вторые входы - к разрядным выходам счетчика импульсов, а выходы через многовходовый элемент И - к второму входу триггера. Вход многовходового элемента И соединен с выходом генератора импульсов, первый вход триггера подключен к управляющему входу программного блока.

В режиме генерации серий с прогрессивно увеличивающимся количеством импульсов (1, 2, 3, …, N) данное устройство может быть использовано в качестве формирователя меток времени, содержащих в себе номер метки времени, представленный числоимпульсным кодом. Подключая выход данного устройства к одному из входов осциллографа, получим измерительную систему, которая позволит проконтролировать не только параметры формы сигналов, поступающих на остальные каналы осциллографа, но и с высокой точностью (во много раз превышающей точность осциллографа) измерить их временные параметры. При этом метки времени используются в качестве основной шкалы, а временная шкала осциллографа используется в качестве нониусной шкалы. Недостатком данного устройства является ограниченность количества меток времени:

N≤Гм/Тк-1,

где N - возможное число меток времени,

Тм - период следования меток времени,

Тк - период следования импульсов числоимпульсного кода. Единица в формуле обусловлена необходимостью гарантированного пробела между метками времени. Кроме того, в данном устройстве отсутствуют вход команды начала работы и возможность переключения диапазонов измерения.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Решаемой технической задачей является создание формирователя меток времени, позволяющего увеличивать интервал измерения многоканального измерителя времени на основе многоканального осциллографа за счет увеличения информационной емкости кода номера меток времени.

Достигаемым техническим результатом является увеличение информационной емкости кода номера меток времени, а следовательно, и количества меток времени до величины:

N≤2^{(Тм-Тк-1)},

где N - возможное число меток времени,

Тм - период следования меток времени,

Тк - период следования импульсов последовательного кода.

Для достижения технического результата в формирователе меток времени, содержащем выходную шину, первый генератор, первый счетчик импульсов, выход переполнения которого соединен с первым входом триггера, новым является то, что дополнительно введены формирователь последовательного кода, смеситель, второй счетчик, второй генератор, коммутатор диапазонов, диапазонный и согласующий делители частоты, вход последнего из которых является тактовым входом устройства, вход запуска которого соединен со вторым входом триггера, выход которого подключен к входу сброса первого счетчика, тактовый вход которого соединен с первым входом смесителя, входом сброса второго счетчика, входом записи формирователя последовательного кода и выходом коммутатора диапазонов, адресная шина которого является шиной управления устройства, а информационные входы соединены с выходами диапазонного делителя частоты, вход которого соединен с выходом первого генератора или с выходом согласующего делителя частоты, при этом первый выход второго счетчика соединен с тактовым входом формирователя последовательного кода, а второй выход соединен с входом блокировки второго счетчика, тактовый вход которого соединен с выходом второго генератора или с дополнительным выходом коммутатора диапазонов, выходы разрядов первого счетчика подключены к информационным входам формирователя последовательного кода, выход которого соединен со вторым входом смесителя, выход которого подключен к выходной шине.

Формирователь последовательного кода содержит регистр сдвига, диод, первый и второй резисторы, первые выводы которых объединены и подключены к аноду диода и выходу формирователя последовательного кода, второй вывод первого резистора соединен с выходом регистра сдвига, а второй вывод второго резистора соединен с катодом диода, тактовым входом формирователя последовательного кода и тактовым входом регистра сдвига, информационные входы и вход записи которого являются соответственно информационными входами и входом записи формирователя последовательного кода.

Смеситель содержит первый и второй диоды и резистор, первый вывод которого соединен с выходом смесителя и катодами диодов, анод первого из которых является первым входом смесителя, а анод второго диода соединен с вторым выводом резистора и является вторым входом смесителя.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет увеличить количество меток времени за счет увеличения информационной емкости кода номера меток времени.

На фиг. 1 приведена схема формирователя меток времени, на фиг. 2 и фиг. 3 - примерные осциллограммы, поясняющие принцип использования формирователя меток времени в составе измерительной системы на основе четырехканального осциллографа.

Формирователь меток времени содержит выходную шину 1, генератор 2, счетчик импульсов 3, выход переполнения которого соединен с первым входом триггера 4, формирователь последовательного кода 5, смеситель 6, счетчик 7, генератор 8, коммутатор диапазонов 9, диапазонный 10 и согласующий 11 делители частоты, вход последнего из которых является тактовым входом устройства 12, вход запуска 13 которого соединен со вторым входом триггера 4, выход которого подключен к входу сброса счетчика 3, тактовый вход которого соединен с первым входом смесителя 6, входом сброса счетчика 7, входом записи формирователя последовательного кода 5 и выходом коммутатора диапазонов 9, адресная шина которого является шиной управления 14 устройства, а информационные входы соединены с выходами диапазонного делителя частоты 1.0, вход которого соединен с выходом генератора 2 или с выходом согласующего делителя частоты 11. Первый выход счетчика 7 соединен с тактовым входом формирователя последовательного кода 5, а второй выход соединен с входом блокировки счетчика 7, тактовый вход которого соединен с выходом генератора 8 или с дополнительным выходом коммутатора диапазонов 9. Выходы разрядов счетчика 3 подключены к информационным входам формирователя последовательного кода 5, выход которого соединен со вторым входом смесителя 6, выход которого подключен к выходной шине 1.

Формирователь последовательного кода 5 содержит регистр сдвига 15, диод 16, резисторы 17 и 18, первые выводы которых объединены и подключены к аноду диода 16 и выходу формирователя последовательного кода 5, второй вывод резистора 17 соединен с выходом регистра сдвига, а второй вывод резистора 18 соединен с катодом диода 16, тактовым входом формирователя последовательного кода 5 и тактовым входом регистра сдвига 15, информационные входы и вход записи которого являются соответственно информационными входами и входом записи формирователя последовательного кода 5.

Смеситель 6 содержит диоды 19, 20 и резистор 21, первый вывод которого соединен с выходом смесителя 6 и катодами диодов 19 и 20, анод диода 19 является первым входом смесителя 6, а анод диода 20 соединен с вторым выводом резистора 21 и является вторым входом смесителя 6.

Формирователь меток времени (см. фиг. 1) работает следующим образом.

На шину управления 14 выставляется код необходимого диапазона измерения, а на вход запуска 13 - стартовый импульс, который переключает триггер 4 в рабочее состояние. При этом на входе сброса счетчика импульсов 3 прекращает действовать сигнал сброса. Под воздействием импульсов, поступающих с выхода коммутатора диапазонов 9, счетчик 3 начинает работать, последовательно увеличивая код своего состояния с нулевого до конечного. Указанные импульсы через диод 19 смесителя 6 проходят на выходную шину 1, где представляют собой метки времени. Каждый из указанных импульсов проходит на вход сброса счетчика 7 и на вход записи формирователя последовательного кода 5 (вход записи регистра сдвига 15). По фронту импульса счетчик 3 переходит в очередное состояние, а по срезу импульса происходит запись двоичного кода состояния счетчика 3 в регистр сдвига 15 и снимается сигнал сброса счетчика 7.

Под воздействием импульсов с генератора 8 или с дополнительного выхода коммутатора диапазонов 9 счетчик 7 отрабатывает цикл до переполнения. За счет обратной связи с выхода переполнения на вход блокировки счетчик 7 останавливается в состоянии переполнения, ожидая следующего импульса сброса. Во время работы счетчик импульсов 7 формирует на первом выходе пачку импульсов, число которых равно количеству разрядов регистра сдвига 15. Под воздействием этих импульсов регистр сдвига формирует на своем выходе последовательный двоичный код, равный коду текущего состояния счетчика 3. Разряды этого кода с помощью диода 16 стробируются тактовыми импульсами с выхода счетчика 7, а амплитуда полученных в результате стробирования импульсов равна уровню Лог. 1, если на выходе регистра сдвига 15 Лог. 1, или половине уровня Лог. 1, если на выходе регистра сдвига 15 Лог. 0 (половина уровня Лог. 1 обеспечивается равенством сопротивлений резисторов 17 и 18). Полученный таким образом амплитудно-модулированный последовательный двоичный код располагается на выходе смесителя 6 вслед за меткой времени и представляет собой ее номер.

Смеситель 6 является простейшим диодным смесителем, нагрузкой которого является резистор 21. Смеситель 6 может быть выполнен по любой другой схеме, что усложнит устройство, но позволит реализовать смеситель в составе цифровой микросхемы ПЛИС.

Использование формирователя меток времени в составе измерительной системы на основе четырехканального осциллографа происходит следующим образом.

Выход формирователя меток времени подключается к одному из входов осциллографа, другой вход которого предназначен для подачи сигнала начала отсчета, а два оставшихся входа являются измерительными входами системы. Осциллограф устанавливается в ждущий режим с запуском по каналу, выделенному для сигнала начала отсчета. По импульсу на входе запуска 13 начинается работа формирователя меток времени. Сигнал начала отсчета запускает осциллограф, и на осциллограмме записываются сигнал начала отсчета (см. фиг. 2, канал СН1) и сигналы меток времени (см. фиг. 2, канал СН4). Компьютер, входящий в состав измерительной системы, по каналу GP1B считывает осциллограмму, запоминает ее в оперативном ОЗУ и переводит осциллограф в режим ожидания с запуском по одному из измерительных входов. При появлении сигнала на измерительном входе, по которому назначен запуск, осциллограф запускается, и на осциллограмме записываются сигналы на измерительных входах (см. фиг. 3, каналы СН2 и СН3) и сигналы меток времени (см. фиг. 3, канал СН4). Компьютер по каналу GPIB считывает осциллограмму и запоминает ее в оперативном ОЗУ.

Загруженная в компьютер программа производит обработку осциллограмм. По первой осциллограмме определяется временной интервал Δt₁, на который сигнал начала отсчета (см. фиг. 2, фронт сигнала в канале СН1) отстоит от ближайшей метки времени (см. фиг. 2, метка времени в канале СН4) и номер этой метки времени (Метка №25). По второй осциллограмме определяются временные интервалы Δt2 и Δt2, на которые контролируемые сигналы (см. фиг. 3, фронты сигналов в каналах СН2 и СН3) отстоят от ближайшей метки времени (см. фиг. 3, метка времени в канале СН4) и номер этой метки времени (Метка №217). Временной интервал от сигнала начала отсчета до первого контролируемого сигнала (см. фиг. 3, сигнал в канале СН2) программа рассчитывает по формуле:

ΔТ₁=Δt₁+(217-25)×Т_м-Δt₂,

где Т_м - период следования меток времени,

217 и 25 - номера соответствующих меток времени,

Δt₁ и Δt₂ - временные интервала, на которые соответствующие сигналы отстоят от «своих» меток времени.

Временной интервал от сигнала начала отсчета до второго контролируемого сигнала (см. фиг. 3, сигнал в канале СН3) программа рассчитывает по формуле:

ΔT₁= Δt₁+(217- 25)×Т_м+Δt₃,

где Т_м - период следования меток времени,

217 и 25 - номера соответствующих меток времени,

Δt₁ и Δt₃ - временные интервала, на которые соответствующие сигналы отстоят от «своих» меток времени.

Следует обратить внимание, что если контролируемый сигнал расположен перед меткой времени, то интервал, на который он отстоит от метки времени, вычитается, а если за меткой времени, то прибавляется.

Метки времени образуют основную шкалу измерения, определяющую точность измерения большей части контролируемого временного интервала. Небольшие участки контролируемого интервала, расположенные на его краях, измеряются с использованием временной шкалы осциллографа, выполняющей роль нониусной. Точность основной шкалы зависит от точности генератора 2. Погрешность может быть на уровне 10^-5 при простом кварцевом генераторе, на уровне 10^-6 при термокомпенсированном и на уровне 10^-8 при термостатированном кварцевом генераторе. Но при использовании встроенного генератора формирователь меток времени придется регистрировать как средство измерения и проводить его ежегодные поверки. Этого можно избежать при тактировании схемы от внешнего генератора, например, входящего в состав частотомера. Кроме указанных выше типов, частотомер может иметь генератор с более высокой стабильностью. Так, частотомер Ч3-85/6 имеет рубидиевый генератор с погрешностью на уровне 10^-10. Частота внешнего генератора может отличаться от значения, на которое рассчитана схема формирователя. Если она превышает указанное значение, то для понижения ее до требуемой величины используется согласующий делитель частоты 11.

В рассмотренном примере используется восьмиразрядный код номера метки, позволяющий иметь 256 меток времени. Для нормальной работы измерительной системы необходимо, чтобы в осциллограмму укладывалось не менее двух периодов меток времени. При этом, хотя бы одна метка своим номером уложится в осциллограмму полностью, без искажающего обрезания. Если, например, использовать четырехканальный осциллограф MSO6014A, имеющий максимальное время измерения (размах осциллограммы по горизонтали) 500 секунд, то время измерения системы составит 500×128=64000 секунд или 17,7 часов. Существенное увеличение времени измерения - это дополнительное преимущество заявляемого устройства. Увеличение количества разрядов кода номера метки времени многократно увеличивает время измерения системы. При этом период следования импульсов указанного кода задается генератором 8 или определяется частотой сигналов на дополнительном выходе коммутатора диапазонов 9. Количество разрядов кода номера метки времени ограничивается не столько периодом их следования, сколько читаемостью этого кода с помощью компьютерной программы.

В часовом и минутном диапазонах измерения можно обойтись без компьютера. Оператор вполне может успеть обработать первую осциллограмму и произвести повторный запуск осциллографа. И осциллограф может быть использован более простой и дешевый, без порта GPIB. В секундном и миллисекундном диапазонах без компьютера не обойтись, так как, в отличие от оператора, компьютер выполняет указанные операции за время 20 мс.

Проведено макетирование формирователя меток времени с использованием микросхем серии 74НСТ и микросхемы ПЛИС АРА750, диодов КД510А и резисторов Р1-12. Для построения измерительной системы использовался четырехканальный осциллограф MSO6014A. Система использовалась в минутном диапазоне. Управление ходом измерения и обработка осциллограмм проводились вручную. Диапазон измерения задавался перемычками, а стартовый импульс - с помощью генератора Г5-75 в режиме формирования однократного импульса. Испытания макета подтвердили работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность.