устройство измерения частоты низкочастотных сигналов

Формула изобретения

Устройство измерения частоты низкочастотных сигналов, содержащее входной формирователь, вход которого подключен к входной шине, генератор счетных импульсов, временной селектор, счетчик импульсов, источник опорного напряжения, измерительный прибор, причем выход генератора счетных импульсов через временной селектор подключен к счетному входу счетчика импульсов, отличающееся тем, что в него введены операционный усилитель, цифроаналоговый преобразователь, оперативное запоминающее устройство, JK-триггер, C-триггер, дифференцирующая цепочка, управляющая шина, причем выход входного формирователя подключен к C-входу JK-триггера, инверсный выход которого через дифференцирующую цепочку подключен к управляющему входу оперативного запоминающего устройства, а прямой выход к счетному входу C-триггера и управляющему входу временного селектора, инверсный выход C-триггера подключен к объединенным J- и K-входам JK-триггера, выход источника опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен к опорному входу цифроаналогового преобразователя и входу измерительного прибора, выход цифроаналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, группа информационных выходов счетчика импульсов подключена к информационным входам оперативного запоминающего устройства, информационные выходы которого подключены к информационным входам цифроаналогового преобразователя, R-входы счетчика импульсов, JK-триггера, C-триггера объединены и подключены к управляющей шине.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве низкочастотного частотомера.

Известно устройство для измерения частоты электрических колебаний [1] основанное на подсчете импульсов неизвестной частоты в течение образцового интервала времени. Недостаток такого устройства для измерения частоты - недопустимо большое время измерения в области низких частот, что ограничивает быстродействие устройств, реализующих такой способ измерения.

Известен преобразователь частоты в аналоговый сигнал [2] основанный на формировании двух импульсов эталонной длительности, усреднении импульсов рассогласования, длительность которых равна времени, в течение которого импульсы эталонной длительности имеют одинаковый логический уровень, а первый импульс эталонной длительности формируют с момента начала периода преобразования сигнала, второй импульс эталонной длительности формируют с момента начала второго периода преобразования сигнала.

К недостаткам такого преобразователя относится сложность обработки сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство измерения частоты [3] основанное на промежуточном преобразовании периода исследуемого сигнала и эталонного интервала времени в постоянные напряжения с последующим нахождением отношения этих напряжений так, что выходное значение результата преобразований пропорционально частоте исследуемого сигнала.

Недостатком такого устройства следует считать невысокое быстродействие, обусловленное первоначальным преобразованием интервалов времени в постоянные напряжения и последующим определением их соотношения посредством двойного интегрирования, а также наличием методической погрешности, возникающей вследствие нестабильности значений (номиналов) элементов интегратора, определяющих постоянную времени при предварительном преобразовании периода измеряемого сигнала в постоянное напряжение.

Технической задачей является увеличение быстродействия.

Техническая задача достигается тем, что в предлагаемом устройстве период исследуемого сигнала преобразуется первоначально в цифровой код, на основе которого посредством цифроаналогового преобразования формируется значение глубины отрицательной обратной связи операционного усилителя. Выходное напряжение операционного усилителя таким образом пропорционально частоте исследуемого сигнала.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

В состав частотомера входят формирователь 1, источник 2 постоянного напряжения, операционный усилитель (ОУ) 3, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 4, измерительный прибор 5, генератор 6 счетных импульсов (ГСИ), временной селектор 7, счетчик 8, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 9, JK-триггер 10, С-триггер 11, дифференцирующая цепочка 12.

Вход формирователя 1 является входной шиной частотомера, выход формирователя соединен с С-входом JK-триггера 10, инверсный выход которого через дифференцирующую цепь 12 соединен с входом управления ОЗУ 9, а прямой выход со счетным входом триггера 11 и управляющим входом временного селектора 7; инверсный выход триггера 11 объединяет J- и К-входы триггера 10. Выход источника 2 постоянного напряжения соединен с неинвертирующим входом ОУ 3, выход ОУ объединяет ЦАП 4 и вход измерительного прибора 5, выход ЦАП соединен с инвертирующим входом ОУ 3. Выход ГСИ 6 через временной селектор 7 соединен с С-входом счетчика 8, выходная шина которого соединена через ОЗУ 9 со входной управляющей шиной ЦАП 4. Управляющая шина частотомера объединяет R-входы счетчика 8 и триггеров 10 и 11.

Устройство работает следующим образом.

С приходом сигнала "Пуск" на управляющую шину триггеры 10 и 11 устанавливаются в нулевое состояние (фиг. 2, U₁₀, U₁₀, U₁₁). Поступающий с выхода формирователя короткий импульс в момент времени t₁ JK-триггер 10 переключается в единичное состояние (фиг.2, U₁, U₁₀), разрешая тем самым прохождение счетных импульсов с выхода ГСИ 6 на вход счетчика 8. В момент времени t₂, в момент повторного поступления импульса с выхода формирователя 1 на С-вход JK-триггера 10 последний переключается в нулевое состояние (фиг.2, U₁, U₁₀), а С-триггер 11 в единичное (фиг. 2, U₁₁) состояние. Триггер 10 блокируется по J- и К-входам (уровень логического нуля) и сигнал на С-входе не приводит к изменению состояния триггера до прихода очередного сигнала управления "Пуск". В момент времени t₂ на входе дифференцирующей цепочки 12 формируется короткий импульс (фиг.2, U₁₂), записывающий число импульсов N_x из счетчика 8 в ОЗУ 9, причем значение N_x составляет

N_x f(t₂ t₁) N_xT_x (1),

где f частота следования импульсов ГСИ 6;

T_x период колебаний исследуемого сигнала.

В соответствии со значением N_x на инвертирующем входе ОУ 3 формируется напряжение отрицательной обратной связи U_oc



где U_вых выходное напряжение ОУ 3;

N разрядность ЦАП.

В свою очередь на выходе ОУ 3 выходное напряжение U_вых может быть определено

U_вых (U₁ U_oc) K (3),

где U₁ выходное напряжение источника 2;

К коэффициент усиления дифференцирующего (разностного) сигнала ОУ 3.

Подставляя (2) в (3) и решая относительно U_вых, получим следующую математическую зависимость для входного напряжения ОУ:



Зная, что значение К для ОУ стремится к бесконечно большому значению, т. е. K _ , с учетом (1) получаем



где К_пр коэффициент преобразования.

Равенство (5) показывает, что значение результата измерений пропорционально частоте измеряемого сигнала f_x, которое фиксируется измерительным прибором 5.

Оценка технико-экономического эффекта изобретения, приводимого в сравнении с прототипом, заключается в следующем.

1. Выходное напряжение ОУ появляется практически сразу после записи цифрового кода в ОЗУ (без учета времени установления ОУ, ЦАП и ОЗУ), т.о. общее время преобразования определяется временем полного колебания исследуемого сигнала.

2. Улучшаются точностные характеристики устройства, так как исключаются погрешности, возникающие при преобразовании периода исследуемого сигнала в постоянное напряжение с помощью интегратора.

3. Расширяется частотный диапазон устройства, уменьшается методическая погрешность за счет того, что современная ЭСЛ-логика может работать с частотами до 200 МГц; при емкости счетчика N_c=1000 минимальное значение периода исследуемого сигнала составляет 5 мкс (соответствует частоте 200 кГц), что весьма затруднительно при использовании обычных ОУ в качестве усилителя интегратора [4]

Таким образом обеспечивается новый положительный эффект.

Применяя в качестве ГСИ 6 кварцевый генератор, а в качестве измерительного прибора АЦП, погрешность измерения будет измеряться в основном нестабильностью напряжения U₁. Используя источник 2 в качестве опорного для АЦП, эта погрешность может быть сведена к минимуму, результат измерения будет отображаться в цифровом виде.