SU1265644A1 - Цифровой фазометр-частотомер - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано при создании комбинированных измерительных приборов и функциональных преобразователей. Цель изобретени  - расширение функ13;иональных возможностей устройства. Цифровой частотомер содержит накапливающий сумматор 1, включающий 2 и регистр 3, а также сумматор 8, регистры 10 и 15 и генератор 11 тактовой частоты. Введение накапливающего сумматора 4, состо щего из сумматора 5 и регистра 6, блока 7 инверторов, формировател  9, элемента 12 запрета и триггеров 13 и 14 с образованием новых св зей между элементами устройства позвол ет последнему измер ть одновременно фазу, частоту и скорость изменени  частоты сигнала. Это позвол ет в системах, где информационный параметр содержитс  в фазе периодического сигнала, измер ть одноС 3 временно значени  самого параметра и его первых двух производных. 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к информационно-преобразовательной и измерительной технике и может быть использовано при создании комбинированных измерительных приборов и функционапьных преобразователей дл  одновременного измерени  частоты, сдвига фазы и скорости измерени  частоты периодических сигналов.

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечени  возможности измерени  изменений по частоте и фазе.

На фиг. 1 приведена функцио-i нальна  схема предлагаемого цифрового ,фазометра-частотомера; на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн ювще работу в установившемс  режиме; на фиг. 3 - то же, в переходном режиме.

Цифровой фазометр-частотомер содержит накапливающий сумматор (НС) 1, в состав которого вход т замкнутые в кольцо сумматор 2 и регистр 3, НС 4, в состав которого вход т замкнутые в кольцо сумматор 5 W регистр 6, блок 7 инверторов, сумматор 8, формирователь 9, регистр 10 генератор 11 тактовой частоты, элемент 12 запрета, триггеры 13 и 14 и регистр 15.

При этом соединены в кольцо НС 1 и 4, блок 7 инверторов и сумматор 8, второй вход которого подключен к шине константы N, информациойные входы триггеров 13 и 14 подключены к источникам измер емого U и опорног1э Пд сигналов соответственно, выхрд триггера 13 подключен к входам синхронизации регистра 15 и НС 1 непосредственно , а к входу установки НС 4 «через формирователь 9. Выход сумматора 8 подключен к информационному входу регистра 15, а выход триггера 14 - к входу синхронизации регистра 10, информационный вход которого подключен к выходу НС 4, Кроме того, выход генератора 11 подключен к входам синхронизации триггеров 13 и 14 непосредственно , а к НС 4 - через элемент 12 запрета, запрещающий вход которого подключен к выходу переноса Р НС 4, причем выход.регистра 10 есть выход у.стройства по фазе N,., выход НС 1 - по частоте N/, а выход регистра 15 - по скорости изменени  частоты Ng.

Накапливающий сумматор 1 содержит замкнутые в кольцо комбинациониный двоичный сумматор 2 и регистр 3 с параллельной записью информации по переднему фронту импульса на входе синхронизации, разр дность которых q, и представл ет собой цифровой интегратор, работающий по тактовым импульсам на входе синхронизации. Он описьшаетс  разностным уравнением

Y п + ,

(1)

где X rTj - информаци  на входе НС в момент поступлени  ()i+1)го импульса на вход синхронизации;

- информаци  на выходе НС до момента, поступлени  (ц+1)-го импульса; YJn+lJ - информаци  на выходе НС после поступлени  (t + 1)-ro импульса. Накапливающий сумматор 4 выполнен аналогично НС 1. Отличие состоит в том, что используютс  вход установки R регистра 6, при подаче на который логической единицы регистр 6 обнул етс  , и выход переноса Р, старшего разр да сумматора 5, разр дность НС равна К q, причем выхедной q-разр дный код НС 1 поступает на вход младших разр дов НС 4. На (K-q) старших разр дов НС 4 подаетс  нулевой код. Таким образом, НС 4 работает только с пр мым кодом положительных чисел (в режиме суммировани ).

Блок 7 инверторов и комбинационный двоичный сумматор 8 реализуют вычитание выходного кода N НС 4 из кода константы N

uN (N - N)-Kg, (2)

Выходной код AN сумматора 8 дополнительный двоичный т-разр дный. Дл  вычитани  йспользуют(  mстарших разр дов НС 4, причем m q. Выходной код д N сумматора 8 подаетс  на вход m младших разр дов НС 1, на (q-m) старших разр дов подаетс  старший (знаковый)разр д выходного кода AN. НС 1 работает с дополнительным входным кодом (в режиме суммировани  и вычитани ). Выходной код НС 1 ислольэуетс  как пр мой код положительных чисел, т.е. если в НС 1 результа окажетс  отрицательным, то перенос, возникающий при этом в сумматоре 2, не учит|)Шаетс , а выходной код N используетс  как пр мой (без знака) код положительного числа. За счет сдвига разр дов между НС 4, сумматором 8 и.НС 1 реализуетс  коэффициент передачи Kg Формирователь 9 импульсов предназ начен дл  получени  узких положитель ных импульсов в момент поступлени  переднего фронта измер емого сигнала и. Длительность импульса должна быт достаточной дл  установки регистра 6 в нулевое состо ние. Регистры 10 и 15 выполнены аналогично регистру 3, имеют число разр дов , равное г. Генератор 11 тактовой частоты фор мирует последовательность импульсов стабильной частоты f. Элемент 12 запрета пропускает на свой выход импульсы генератора 11 если сигнал переноса НС 4 отсутствует (Р| 0). Если на выходе НС 4 возник сигнал переноса (), то импульсы через элемент 12 запрета не проход т. Фазометр-частотомер в установившемс  режиме при измерении параметров сигнала U, , именлцего посто нную частоту f j и фазовый сдвиг относительно опорного сигнала (f (фиг.2) работает следующим образом. Дл  установившегос  режима (fx const) значение кода на выходе сумматора 8 в моменты прихода перед него фронта измер емого сигнала 4iN nj 0. При этом код N/ на выходе НС 1 не измен етс . В момент прихода положительного фронта измер емого сигнала на выходе формировател  9 вырабатываетс  узкий импульс, устанавливающий НС 4 в нуле вое состо ние (N 0). По мере поступлени  на вход синхронизации НС 4 импульсной последова тельности с частотой fg на его выхог де формируетс  линейно нарастакнций код, который в соответствии с разнос ным уравнением (1) можно записать в виде N ,(3) К моменту прихода следующего поло жительного фронта сигнала на вход НС 4 пройдет число импульсов, пр мо пропорциональное частоте f и периоду Tj, измер емого сигнала i foTx. А на его выходе будет код N п ,. Т,. (5) Поскольку в установившемс  режиме uN п 0, то из формулы (2) следует , что NT Nf- o-TxУчитыва , что частота сигнала обратно пропорциональна периоду, из формулы (6) найдем f ы ,, - fo f f т ; 0 Таким образом, выходной код НС 1 в установившемс  режиме пр мс пропорционален частоте измер емого сигнала . В момент прихода на вход синхронизации регистра 10 через триггер 14 переднего фронта опорного сигнала Uj, на вход НС 4 проходит число им- пульсов, пр мо пропорциональное временном - сдвигу t; . между сигналами и, и и. nt 0,. код на выходе НС 4 в этот момент равен ,. Это значение кода заноситс  в регистр 10. Подставл   в выражение (9) значение N| из равенства (7), получим ц (рад) Т, (|(град) Таким образом, в установившемс ,1 ежиме выходной код регистра 10 пр мо пропорционален фазовому сдвигу меавду измер емым и опорным сигналами. В регистр 15 в момент прихода переднего фронта сигнала записываетс  код NJ uN п 0.. Фазометр-частотомер с зрени  теории автоматического регулировани  представл ет собой цифровую лед щую систему, период квантовани  о времени в которой равен периоду змер емого сигнала. Устойчивость такой системы можно проанализировать по передаточной функции разомкнутой линеаризованной С11стемы (без учета квантовани  по уровню),НС 1 в системе выполн ет роль цифрового интегра .тора, его передаточна  функвд  может быть найдена применением Z-преобразо вани  к разностному уравнению (1) W,(Z) Где Z - оператор Z - преобразовани  НС 4 обнул етс  на каждом периоде измер емого сигнала, а информаци  с его выхода дл  сравнени  с константой N снимаетс  лишь в конец периода , то в системе он эквивалентен усилительному звену с передаточной функцией, определ емой из равенства (6), W (Z) Блок инверторов 7 и сумматор 8 выполн ют роль элемента сравнени  с коэффициентом передачи Kg , обусловленным сдвигом разр дов. Передаточную функцию разомкнутой ©истемы наход т из выражений (11) и (12) W(Z)W,(Z) W4(Z) Kg Ь-- Система  вл етс  устойчивой, есл модули корней характеристического уравнени  1 + W (Z) меньше 1. В нашем случае это услови из формулы (13) и (14) запишетс  в виде неравенства f Т 2 Очевидно, что это соотношение мо но всегда выполнить соответствукнцнм сдвигом разр дной сетки, т.е. выбором числа разр дов m и соответс вующим выбором частоты f . Неравенс во (15) должно провер тьс  дл  нижней частоты диапазона измерений. Анализ показьгоает, что устойчивы установившийс  режим мог бы возникнуть при работе НС 4 с периодом, кратным периоду измер емого сигнала (за счет переполнени  НС 4). При этом результаты измерени  были бы неверны. Исключение возможности возникновени  такого режима достигаетс  включением в цепь тактовых импульсов элемента 12 запрета. При по влении на выходе сумматора 5 сигнала пееноса Р| 1 прохождение тактовых мпульсов на вход синхронизации регистра 6 запрещаетс  и на выходе НС 4 фиксируетс  максимальное значение кода N. Рассмотрим работу устройства в ереходном режиме (фиг. 3). При отсутствии измер емого сигнаа в НС 1 хранитс  некоторое значейие кода частоты , вследствие чего НС 4 находитс  в насыщении и в нем хранитс  код N N прихода переднего фронта первого импульса измер емого сигнала в НС 1 записьтаетс  код % 1 N М +4N,0 N.OJ-(N -N,) . Причем возможны два случа : если .juN .1 тогда значение -кода NJ уменьшаетс  (сплошна  лини , фиг. 3); если Nj.o | uN , тогда значение кода N увеличиваетс  (штрихова  лини , фиг. 3), так как при этом , но с учетом отбрасывани  переноса в сумматоре 2 величина N 1 2 - (&N со + N о ) .На выходе НС 4 формируетс  линейно нарастающий код N, крутизна которого пропорциональна N. При малой частоте измер емого сигнала НС 4 входит в насыщение. На следующем такте величина N. уменьшаетс , а вместе с ней уменьшаетс  крутизна линейно нарастающего кода N. Через несколько тактов система входит в линейную зону. Значение N приближаетс  к установившемус  значению. Признаком установившегос  режима служит равенство нулю выходного кода сумматора 8 л N (|п О, оно  вл етс  признаком достоверности результатов измерени . . Пример. Пусть К 22; m 11; 2048 Гц; N, 1024-2 ; N 2047. 2 ; N 0 3600. Расчет провод т с помощью разностного уравнени , которое дл  НС 1 можно записать в виде bN n,(16) IT и уравнений (2) и (5), учитыва , что N - .

л  случа  Т 1 с можно ;аписать

3600N() 2047 . 1023

2577N 1 2047 1023

1554N 2. 1554 2 bN 2 - 530

1024N 3 1024 2 uNр О

Дл  случа  TX 0,5 с можно записать

3600 N 0 2577 N 1 2312,5

2049,03 N ,52 - 2 - 0,517

Дл  случа  Т 1,5 с можно записать

N.

N

NT

N,

NU41

N,t5j

682,97 N I2 1024,t5 «2 - 0,45

12.656A48

((

2047 2 iN 0

-1023 1288,5 2 uN 1

-264,5 N 2 1156,25 2 uN 2

-132,25

Claims (1)

1. На фиг. 3 представлен переходньш процесс дл  Тц 1,5 с. Таким образом, минимальное врем  переходного процесса получено дл  случа  Tj 1 с, при этом ., /- 1 . Соотношение (17)  вл етс  оптимальным с точки зрени  быстродейств Отклонение в ту или другую сторону от него увеличивает врем  переходног процесса. Дл  оптимального соотношени  (Т 1 с) переходный процесс в предлагаемом примере заканчиваетс  за три периода измер емого сигнала . Дл  случа  Т)( 0,5 с процесс монотонный, динамическа  ошибка через дес ть периодов составл ет около 0,05% и уменьшаетс  вдвое в каждый последующий период. Дл  случа  Т 1,5 с переходный процесс колебательный , модуль динамической ошибки через двенадцать периодов не превышает 0,05 % и уменьшаетс  вдвое в каждый последуюп1ий период. В установившемс  режиме ошибка измерени  частоты и фазы дл  предла -аемого примера составл ет 0,1Д дл  Т 1 с и определ етс  дискретностью квантовани  по уровню (числом разр дов m и к) дл  частоты и по времени (частотой f) дл  фазы. Рассмотрим работу фазометра-частотомера в установившемс  режиме, когда частота измер емого сигнала измен етс  по закону f, n-fl Дп + if где f j( n - среднее значение частоты в п-м периоде; fcfy - приращение частоты за один период, Д f X fX . Поскольку фазометр-частотомер по частоте f), представл ет собой астатическую систему первого пор дка, то сигнал ошибки bN гГ такой системы пропорционален скорости изменени  частоты ufx- следуеттакже и из того, что iN tn входна  величина. НС 1, представл ющего собой цифровой интегратор, а его выходна  величина N пропорциональна частоте f. Следовательно, величина uN п есть производна  N, т.е. частоты f. Предположим, что в установившемс  режиме iN hj const, тогда из формулы (16) следует, что NI С О + bN п, (19) а из формулы (5) (T,h +iTx)( ANCn).;(20) TxW fxW iT, -T.Infl - ТДп. Из выражени  (2) и (20). следует, N,-f, СТДП tuT,) ( +uN ri). (21) Аналогично выражению (21), полу: черному дл  (п+1)-го периода, дл  п-го периода iN М N, -f Т И N и. (22 Приравнива  правы е части вьфаже НИИ (21) и (22), получим п + ЬТ,- К..И + AT ANtri 0. Третьим слагаемым в выражении (2 ATj( ь N п , как величиной высшего пор дка малости по сравнению с двум другими слагаемыми, можно принебреч тогда , . С точностью, определ емой динами ческой ошибкой, код N h можно на ти из равенства (7), подставл   его и значени  л Т и Т выражение (24), получим IN Гп. Следовательно код &N п на выходе сумматора 8 -пропорционален при ( 25 ащению частоты измер емого сигнала за один период, т.е. скорости изменени  частоты. Это значение когда N g U N д в момент прихода переднего фронта сигнала U заноситс  в регистр 15. Таким образом предлагаемое устройство позвол ет измер ть одновременно фазу, частоту и скорость изменени  частоты сигнала.-Это позвол ет в системах, где информационный параметр содержитс  в фазе периодического сигнала, измер ть одновременно значени  самого параметра и его первых двух производных. Формула изобретени  Цифровой фазометр-частотомер, содержащий генератор тактовой частоты , первый накапливающий сумматор, два регистра сдвига, сумматор, о тличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей , в него введены второй накапливающий сумматор, два D-триггера , блок инверторов, элемент запрета и формирователь, при этом выход тактового генератора соединен с тактовыми входами первого и второго D-триггеров и пр мым входом элемента запрета, выход первого D-триггера соединен с входом первого накапливающего сумматора, с входом формировател  и тактовым входом первого регистра сдвига, информационные входы которого соответственно соединены с выходами сумматора и соответствующими входами первого накапливающего сумматора, выход второго D-триггера соединен с тактовым входом второго регистра сдвига, выходы которого  вл ютс  фазовым выходом фазометра-часTOTOMgpa , информационные входы второго регистра сдвига соединены с соответствующими выходами второго накапливающего сумматора и через блок инверторов - с первыми входами сумматора , вторые входы которого соединены с щиной кода константы N, информационные входы первого и второго Dтриггеров  вл ютс  входами соответственно Измер емого и опорного сигналов , выходы первого накапливающего сумматора соединены с входами двторого накапливакнцего сумматора и  вл ютс  частотным выходом фазометрачастотомера , выход формировател  соединен с входом Сброс второго накапливающего сумматора, выход переноса которого соединен с инверсным входом элемента запрета, выход которого соединен с тактовым входом вто126564А

   рого накапливающего сумматора, а выходы первого регистра  вл ютс  выходом фазометра-частотомера по изменению скорости частоты.