СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ИНТЕРВАЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к области измерения временных интервалов и может использоваться в измерительной технике для измерения временных интервалов, периода, разности фаз и частоты электрических сигналов.

Известен способ измерения временных интервалов электрических сигналов, основанный на подсчете количества периодов частоты эталонного генератора за измеряемый интервал времени и при котором длительность промежутков между началом измеряемого интервала и фронтом первого после начала импульса эталонного генератора и между концом измеряемого интервала и первым после него фронтом импульса эталонного генератора измеряется с помощью накопительного конденсатора, заряжаемого током I в течение длительности соответствующего промежутка и разряжаемого током I/K после окончания промежутка и промежуток численно равен времени разряда конденсатора. (Мирский Г.Я. Электронные измерения. М. , "Радио и связь" 1986 г., стр. 117; Хоровиц, Хилл, "Искусство схемотехники, Москва, "МИР", 1986 г., том 2, стр. 372).

Но точность этого способа сильно зависит от точности схемы заряда и разряда конденсатора, и подвержена сильным влияниям температуры, помех и напряжения питания, вследствие чего коэффициент интерполяции K не может быть слишком большим и, следовательно, разрешающая способность этого способа не может быть слишком высокой.

Существует также способ измерения временных интервалов с использованием сигнала эталонного генератора высокой стабильности, при котором разрешающая способность повышается за счет использования двух вспомогательных генераторов с частотой в (1+1/K) раз меньшей частоты эталонного генератора и в котором первый вспомогательный генератор запускается началом измеряемого интервала и останавливается при совпадении фронтов его сигнала и сигнала эталонного генератора, а второй вспомогательный генератор запускается концом измеряемого интервала и останавливается при совпадении фронтов его сигнала и сигнала эталонного генератора, причем интервал равен произведению, в котором первый сомножитель равен числу периодов эталонного генератора за измеряемый интервал плюс число периодов первого вспомогательного генератора, деленное на К, минус число периодов второго вспомогательного генератора, деленное на К, а второй сомножитель равен периоду эталонного генератора. (HEWLETT PACKARD, Fundamentals of Time Interval Measurements, Application Note 200-3, стр. 50; Хоровиц, Хилл, "Искусство схемотехники, Москва, "МИР", 1986 г., том 2, стр. 373).

Данный способ наиболее близок по своей сущности к заявляемому и является для него прототипом. Недостатком этого способа является то, что стабильность генераторов, запускаемых фазой, к которым можно отнести релаксационные генераторы и LC-генераторы ударного возбуждения, обычно не превышает 1-10^-3, а для получения разрешающей способности до 1/K периода эталонного генератора при одновременном обеспечении точности измерения не хуже 1/K периода эталонного генератора необходима стабильность вспомогательного генератора не менее 1/(3K²), что уже при значении К более 30 получить достаточно сложно.

Сущность изобретения заключается в следующем: предлагается способ измерения временных интервалов путем подсчета количества периодов частоты эталонного генератора внутри измеряемого интервала, в котором для увеличения разрешающей способности измерения наряду с сигналом эталонного высокостабильного генератора используют сигнал одного вспомогательного высокостабильного генератора с частотой, в (1+1/K) раз меньшей частоты эталонного генератора. При этом в отличие от прототипа вспомогательный генератор используется в режиме непрерывной генерации и начальная фаза генерации частоты вспомогательного генератора может быть произвольной. Сигнал вспомогательного генератора преобразуют в пилообразное напряжение, запоминают уровень напряжения, соответствующий моменту пересечения фронта измеряемого события и переднего склона пилообразного напряжения и производят решение сигнала пилообразного напряжения по этому уровню до тех пор, пока не обнаружат совпадение очередного момента пересечения склона пилообразного напряжения и уровня решения с фронтом сигнала эталонного генератора, следовательно, передний фронт первого импульса пачки импульсов, полученной в результате решения, совпадает с моментом пересечения склона пилообразного напряжения и фронта измеряемого события. Далее подсчитывают количество импульсов в этой пачке до момента совпадения фронта импульса в пачке с фронтом импульса эталонного генератора, а интервал между двумя событиями определяют из выражения: t_изм= TO(N0+(N1-N2)/K), где t_изм - измеряемый интервал, T0 - период частоты эталонного генератора, N0 - количество импульсов эталонного генератора между измеряемыми событиями, N1 - количество импульсов пилообразного напряжения, решенного по уровню пересечения первого фронта измеряемого интервала и переднего склона пилообразного напряжения и N2 - количество импульсов пилообразного напряжения, решенного по уровню пересечения второго фронта измеряемого интервала и переднего склона пилообразного напряжения, K - коэффициент интерполяции, определяемый выражением: K = T0/(T1-T0), где T1 - период частоты вспомогательного генератора.

На фиг. 1 и 2 иллюстрируется измерение временных интервалов с помощью предлагаемого способа, причем на фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ измерения временных интервалов по п. 1, а на фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов для него.

На фиг. 3 приведены структурная схема устройства, реализующего вариант способа по пункту 2 формулы, и на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие его.

Измерение временных интервалов в соответствии с первым пунктом предлагаемого способа производится следующим образом: измеряемый интервал подается на вход счетчика 6 Сч1, производящего подсчет количества периодов частоты эталонного генератора 1 за измеряемый интервал. Интервалы времени между началом измеряемого события и фронтом первого после него импульса эталонного генератора 1, на фиг. 2 обозначенный как dt1, и между концом измеряемого события и первым после него фронтом эталонного генератора 1, на фиг. 2 обозначенный как dt2, измеряются с помощью вспомогательного генератора 2 ВГ, формирователя 3 пилообразного напряжения ФПН и время-импульсного преобразователя 10 ПВИ. ПВИ состоит из следующих узлов: усилитель 4 выборки и хранения УВХ, компаратор 5 КОМП., детектор 7 совпадений фронтов ДС, счетчик 9 Сч2 и RS-триггер 11. Входной измеряемый сигнал Uвх, устанавливая на управляющем входе усилителя 4 выборки и хранения УВХ высокий потенциал (сигнал U5), включает режим хранения и УВХ запоминает уровень напряжения пилообразного сигнала U3, приложенного к ее сигнальному входу в этот момент с выхода формирователя 3 пилообразного напряжения ФПН, которое формируется из сигнала U2 стабильного генератора 2 ВГ. Этот же пилообразный сигнал подается на один вход компаратора 5 КОМП, на второй вход которого подается напряжение с выхода УВХ. Поскольку уровень напряжения на выходе УВХ в режиме хранения соответствует напряжению на уровне пересечения сигнала пилообразного напряжения и фронта измеряемого события, то импульсы U4 на выходе компаратора будут по фазе привязаны к фронту измеряемого события и по частоте равны сигналу генератора 2 ВГ. Так как период ВГ на 1/К больше периода эталонного генератора 1 ЭГ, то через (N1)/K периодов произойдет совпадение фронтов сигналов с выхода компаратора 5 и ЭГ, и детектор 7 совпадения фронтов ДС формирует импульс сброса для RS-триггера. При этом величина (N1)/K, умноженная на период ЭГ, с точностью до 1/К будет равна измеряемому отрезку dtl. Аналогичные операции проводятся и по отношению к отрезку dt2. Теперь для определения с точностью до 1/К полной длины интервала t_изм. достаточно в арифметическом устройстве 8 АЛУ к содержимому N0 счетчика 6 Сч1 прибавить величину, равную разности числа импульсов N1 и N2 для начала и конца измеряемого события, подсчитанные счетчиком 9 Сч2, и деленную на К. Достоинством этого способа является то, что поскольку мерой интервала dt является не длительность импульса пилообразного напряжения и не уровень напряжения в момент пересечения склона пилообразного напряжения и фронта измеряемого события, а количество импульсов стабильного по частоте генератора от момента пересечения до момента совпадения фронтов вспомогательного и эталонного генераторов, и, следовательно, на точность измерения не влияет ни форма склона пилообразного напряжения, ни уровень напряжения в момент пересечения. Единственное требование - неизменная форма пилообразного напряжения в период от момента пересечения до момента совпадения фронтов сигналов генераторов, а это не более K импульсов. Кратковременная стабильность за такой малый интервал времени может быть очень высокой. Так как в качестве вспомогательного генератора может использоваться генератор с кварцевой стабилизацией частоты, вполне достижим коэффициент интерполяции K более 500.

Для измерения временных интервалов с произвольным расположением фронта относительно импульса пилообразного напряжения и при конечной длительности заднего склона импульса пилообразного напряжения предлагается вариант изобретенного способа, заключающийся в том, что дополнительно введены (см. фиг. 4) сигналы U7 и U8 управляющего напряжения и дополнительно введен второй сигнал U6 пилообразного напряжения и обработка входного сигнала производится (см. фиг. 3) одновременно в двух идентичных параллельных ветвях (первая: формирователь 12 УН1, схема 19 И, RS-триггер 11, схема 4УВХ, схема 5 КОМП., схема 7 ДС, схема 21 ИЛИ и схема 3 ФПН1, и вторая: формирователь 13 УН2, схема 20 И, RS-триггер 18, схема 15 УВХ, схема 16 КОМП., схема 17 ДС, схема 22 ИЛИ и схема 14 ФПН2), причем пилообразные сигналы U3 и U6 сдвинуты по фазе так, что области заднего склона этих сигналов не перекрываются, а управляющие сигналы U7 и U8 каждой из ветвей запрещают обработку входного сигнала во время заднего склона прилообразного напряжения, и измерение производится в той ветви, в которой имеются оптимальные условия для этого.

Входной сигнал Uвх поступает одновременно на управляющий вход счетчика 6 Сч1 и на первые входы первой 19 и второй 20 схемы И. На второй вход первой схемы И поступает управляющий сигнал U7 от схемы 12 формирования управляющего напряжения УН1, а на второй вход второй схемы И поступает управляющий сигнал U8 от схемы 13 формирования управляющего напряжения УН2. Выходы схем 19 и 20 И подключены к S-входам RS-триггеров 11 и 18, которые дают сигналы U5 и U9 разрешения на выборку напряжений U3 и U6 от формирователей 3 и 14 пилообразного напряжения ФПН1 и ФПН2 усилителями 4 и 15 выборки и хранения УВХ, компараторы 5 и 16 производят решение сигналов U3 и U6 по выбранному уровню до тех пор, пока детекторы 7 и 17 совпадения фронтов не зафиксируют совпадение фронтов сформированных компараторами сигналов с фронтом сигнала U1 и не сбросят RS- триггеры 11 и 18, и соответственно усилители 4 и 15 выборки и хранения. Счетчик 9 Сч2 подсчитывает количество импульсов до момента совпадения (причем если управляющие напряжения разрешают обработку сигналов в обеих ветвях, то выходной сигнал U4 образован путем объединения по ИЛИ выходных сигналов ДС обеих ветвей, а если обработка в одной из ветвей запрещена, то выходной сигнал U4 образован выходным сигналом ДС другой ветви), и передает результат в арифметическое устройство 8 АЛУ, куда поступает также результат подсчета счетчиком 6 Сч1 количества импульсов N0 сигнала U1 между фронтами измеряемого события U_ВХ. Результат измерения определяется по формуле t_изм=T0(N0+(N1 - N2)/K), приведенной в первой части описания.