RU2028628C1 - Method of and device for measuring frequency of low-frequency oscillations - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has reference-voltage source 1, switches 2, 3, integrator 4, DC amplifier 5, voltage limiter 6, digital-to-analog converter 7, reference time space shaper 8, count pulse generator 9, time selectors 10, 11, pulse counters 12, 13, differentiating network 14, input shaper 15, control unit 16. EFFECT: improved design. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано при измерении частоты низкочастотных колебаний. The invention relates to electrical radio engineering and can be used to measure the frequency of low-frequency oscillations.

Известно устройство измерения частоты, основанное на способе преобразования периода измеряемой частоты в постоянное напряжение, которое является разрядным для интегратора. A frequency measuring device is known based on a method for converting a period of a measured frequency into a constant voltage, which is a discharge voltage for an integrator.

Недостатком такого способа является зависимость результата измерения от постоянной времени времяамплитудного преобразователя на базе интегратора, что ограничивает точность измерения вследствие дрейфа интегратора, а также ограниченный частотный диапазон, обусловленный инерционностью интегратора в области малых времен. The disadvantage of this method is the dependence of the measurement result on the time constant of the time-amplitude converter based on the integrator, which limits the measurement accuracy due to the drift of the integrator, as well as the limited frequency range due to the inertia of the integrator in the field of small times.

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству для его осуществления относится способ измерения частоты и устройство для его осуществления, основанный на промежуточном преобразовании периода измеряемой частоты в напряжение и преобразовании длительности опорного интервала времени в напряжение во время промежуточного преобразования посредством интегрирования. В последующем, во время второго интегрирования, где разрядным является напряжение, пропорциональное периоду неизвестной частоты, находят отношение этих двух постоянных напряжений, пропорциональное частоте исследуемого сигнала. Closest to the proposed method and device for its implementation relates to a frequency measurement method and device for its implementation, based on the intermediate conversion of the period of the measured frequency to voltage and the conversion of the duration of the reference time interval to voltage during the intermediate conversion by integration. Subsequently, during the second integration, where the discharge voltage is proportional to the period of the unknown frequency, the ratio of these two constant voltages is found, which is proportional to the frequency of the signal under study.

Такому способу измерения свойственны следующие недостатки. За счет того, что преобразование периода сигнала неизвестной частоты в постоянное напряжение осуществляется посредством интегрирования в процессе промежуточного преобразования, а затем это напряжение является разрядным, то оно непосредственно зависит от постоянной времени интегратора и его свойств: входного сдвига, дрейфа и т.д. Нестабильность номинальных значений элементов интегратора вносит дополнительную погрешность в процесс измерений; кроме того, такому частотомеру свойственна статическая погрешность, зависящая, главным образом, от входного сдвига и дрейфа интегратора и сравнивающего устройства (компаратора). Such a measurement method has the following disadvantages. Due to the fact that the period of the signal of unknown frequency is converted to constant voltage by integration during the intermediate conversion, and then this voltage is discharge, it directly depends on the time constant of the integrator and its properties: input shift, drift, etc. The instability of the nominal values of the elements of the integrator introduces an additional error in the measurement process; in addition, such a frequency meter is characterized by a static error, which depends mainly on the input shift and drift of the integrator and the comparator (comparator).

Способ основан на промежуточном преобразовании длительности периода измеряемой частоты в постоянное напряжение путем подсчета импульсов образцовой частоты в течение периода измеряемой частоты и преобразовании полученного кода в постоянное напряжение с помощью цифроаналогового преобразования; преобразовании длительности опорного интервала времени в постоянное напряжение во время промежуточного преобразования путем интегрирования опорного напряжения в течение опорного интервала, результат которого сохраняется до момента окончания промежуточного преобразования, Затем производится определение информативного интервала времени, пропорционального значению измеряемой частоты посредством интегрирования напряжения цифроаналогового преобразователя (ЦАП) в пределах от результата преобразования длительности образцового интервала времени до наступления нулевого значения результата второго интегрирования. При этом опорным напряжением для ЦАП является выходное напряжение усилителя, включенного последовательно с интегратором, за счет чего образуется отрицательная обратная связь, устраняющая влияние статической погрешности. The method is based on an intermediate conversion of the duration of the period of the measured frequency to a constant voltage by counting pulses of the reference frequency during the period of the measured frequency and converting the resulting code into a constant voltage using digital-to-analog conversion; converting the duration of the reference time interval to a constant voltage during an intermediate conversion by integrating the reference voltage during the reference interval, the result of which is stored until the end of the intermediate conversion. Then, an informative time interval proportional to the measured frequency is determined by integrating the voltage of the digital-to-analog converter (DAC) into limits on the result of the conversion of the duration of the model int the time interval before the zero value of the result of the second integration. In this case, the reference voltage for the DAC is the output voltage of the amplifier, connected in series with the integrator, due to which a negative feedback is formed, eliminating the influence of static error.

На фиг. 1 представлена структурная схема частотомера, на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства, на фиг. 3, 4 - возможные варианты схем отдельных блоков. In FIG. 1 is a structural diagram of a frequency meter; FIG. 2 is a timing diagram of the operation of the device, in FIG. 3, 4 - possible options for schemes of individual blocks.

Устройство содержит источник 1 опорного напряжения (ИОН), электронные ключи 2 и 3, интегратор 4, усилитель 5 постоянного тока (УПТ), ограничитель 6 напряжения, ЦАП 7, формирователь 8 образцового интервала времени (ФОИВ), генератор 9 счетных импульсов (ГСИ), временные селекторы 10 и 11, счетчики импульсов 12 и 13, дифференцирующая цепочка 14, входной формирователь 15, блок 16 управления. The device contains a source of 1 reference voltage (ION), electronic keys 2 and 3, an integrator 4, a DC amplifier 5 (DC), a voltage limiter 6, a DAC 7, a shaper 8 of an exemplary time interval (FOIV), a generator 9 of counting pulses (GSI) , temporary selectors 10 and 11, pulse counters 12 and 13, differentiating chain 14, input shaper 15, control unit 16.

Вход формирователя 15 является входом частотомера, а выход соединен с первым входом блока 16 управления и R-входом счетчика 12. Выход ИОН 1 соединен со входом электронного ключа 2, выход которого соединен с точкой, объединяющей выход электронного ключа 3 и вход интегратора 4, выход которого соединен со входом УПТ 5, выход которого соединен с третьим входом блока 16 управления и входом ограничителя напряжения 6. Выход последнего соединен со входом опорного напряжения ЦАП 7, выход ЦАП 7 соединен со входом электронного ключа 3. Выход ГСИ 9 объединяет входы ФОИВ 8 и временных селекторов 10 и 11, выходы которых соединены соответственно с управляющим входом электронного ключа 2 и счетными входами счетчиков импульсов 12 и 13, причем выходная шина счетчика 12 соединена со входной шиной ЦАП 7, а выходная шина счетчика 13 является выходной шиной частотомера. Вход "ПУСК" частотомера соединен со вторым входом блока 16 управления и R-входами счетчика 13 и первый выход блока 16 управления объединяет входы временного селектора 10 и дифференцирующей цепочки 14, а второй и третий выход соединены соответственно с управляющими входами временного селектора 11 и электронного ключа 3, выход дифференцирующей цепочки 14 соединен с управляющим входом ФОИВ 14. The input of the driver 15 is the input of the frequency meter, and the output is connected to the first input of the control unit 16 and the R-input of the counter 12. The output of ION 1 is connected to the input of the electronic key 2, the output of which is connected to the point that combines the output of the electronic key 3 and the input of the integrator 4, the output which is connected to the input of UPT 5, the output of which is connected to the third input of the control unit 16 and the input of the voltage limiter 6. The output of the latter is connected to the input of the voltage reference of the DAC 7, the output of the DAC 7 is connected to the input of the electronic key 3. The output of the GSI 9 combines the input FOIV 8 and temporary selectors 10 and 11, the outputs of which are connected respectively to the control input of the electronic key 2 and the counting inputs of the pulse counters 12 and 13, and the output bus of the counter 12 is connected to the input bus of the DAC 7, and the output bus of the counter 13 is the output bus of the frequency meter . The input "START" of the frequency meter is connected to the second input of the control unit 16 and the R-inputs of the counter 13 and the first output of the control unit 16 combines the inputs of the temporary selector 10 and the differentiating circuit 14, and the second and third output are connected respectively to the control inputs of the temporary selector 11 and the electronic key 3, the output of the differentiating chain 14 is connected to the control input FOIV 14.

Примеры выполнения блока 16 управления и ФОИВ 8 приведены на фиг. 3 и фиг. 4. В состав блока 16 управления входят JK-, C- и RS-триггеры 17, 18 и 19, элемент И 20, дифференцирующие цепочки 21 и 22, компаратор 23; ФОИВ 8 включает в себя RS-триггер 24, элемент И 25, счетчик 26. Examples of the execution of the control unit 16 and FOIV 8 are shown in FIG. 3 and FIG. 4. The control unit 16 includes JK-, C- and RS-flip-flops 17, 18 and 19, element And 20, differentiating chains 21 and 22, comparator 23; FOIV 8 includes RS-trigger 24, element And 25, counter 26.

Устройство работает следующим образом. На выходе формирователя 15 вырабатываются короткие импульсы, соответствующие переходу сигналов через нуль из отрицательных значений в положительные (фиг. 2, б). The device operates as follows. The output of the shaper 15 produces short pulses corresponding to the transition of the signals through zero from negative to positive values (Fig. 2, b).

С приходом сигнала "ПУСК" на второй вход блока 16 управления триггеры 17, 18, 19 и счетчик 13 устанавливаются в нулевое состояние (фиг. 2, г, д, м). С приходом короткого импульса с выхода формирователя 15 JK-триггер устанавливается в единичное состояние (фиг. 2, г), и на его первом выходе появляется импульс, открывающий временной селектор 10, счетчик 13 устанавливается в нулевое состояние. Этим же перепадом запускается ФОИВ 8 (фиг. 2, ж), и на вход интегратора 4 через открытый ключ 2 подается опорное напряжение U_o с ИОН 1 (U_o>0). Напряжение на выходе интегратора 4 изменяется по линейному закону и к моменту времени То оно примет значение
U_инт1= -

U_odt = -

U_o·T_o (1) где τ - постоянная времени интегратора 4;
Т_о - длительность интервала времени на выходе ФОИВ 8.With the arrival of the "START" signal to the second input of the control unit 16, the triggers 17, 18, 19 and the counter 13 are set to zero (Fig. 2, d, d, m). With the arrival of a short pulse from the output of the shaper 15, the JK trigger is set to a single state (Fig. 2d), and a pulse appears at its first output, opening the time selector 10, the counter 13 is set to zero. The same differential starts FOIV 8 (Fig. 2, g), and the reference voltage U _o with ION 1 (U _o > 0) is supplied to the input of the integrator 4 through the public key 2. The voltage at the output of the integrator 4 varies linearly and by the time moment, then it will take value
U _int1 = -

U _o dt = -

U _o · T _o (1) where τ is the time constant of the integrator 4;
T _about - the duration of the time interval at the output of FOIV 8.

В момент времени То электронный ключ 2 закрывается, напряжение на выходе интегратора 4 не меняется. С приходом очередного импульса с выхода формирователя 15 триггер 17 устанавливается в нулевое состояние (фиг. 2, г), а триггер 18 - в единичное (фиг. 2, д), временной селектор 10 закрывается и в счетчике 12 фиксируется число импульсов N_o
N_o=f_o ^. T_x, (2) где f_o - частота следования импульсов ГСИ 9;
Т_х - период колебаний исследуемого сигнала.At time That electronic key 2 is closed, the voltage at the output of the integrator 4 does not change. With the arrival of the next pulse from the output of the shaper 15, the trigger 17 is set to zero (Fig. 2, g), and the trigger 18 is in a single state (Fig. 2, d), the time selector 10 is closed and the number of pulses N _o is fixed in the counter 12
N _o = f _o ^. T _x , (2) where f _o is the pulse repetition rate of GSI 9;
T _x - period of oscillations of the investigated signal.

Выходное напряжение интегратора поступает на вход УПТ 5 с достаточно большим коэффициентом усиления, УПТ переходит в режим насыщения (фиг. 2, к). На входе ограничителя напряжения появляется напряжение U_огр, которое является опорным для ЦАП 7. На выходе ЦАП 7 в соответствие с кодом No формируется напряжение U_цло, которое является разрядным для интегратора 4
U_цап= U_отр

(3) где N - разрядность ЦАП 7.The output voltage of the integrator is fed to the input of the UPT 5 with a sufficiently large gain, the UPT goes into saturation mode (Fig. 2, k). At the input of the voltage limiter, the voltage U _ogr appears, which is the reference for the DAC 7. At the output of the DAC 7, in accordance with the code No, the voltage U is _formed , which is a bit for the integrator 4
U _DAC = U _Neg

(3) where N is the bit depth of the DAC 7.

Следует отметить, что коэффициент усиления усилителя 5 выбирается достаточно большим, поэтому практически с началом интегрирования U_o на интервале То, УПТ 5 попадает в режим насыщения (фиг. 2, к). Фазы передачи сигнала интегратора и УПТ 5 выбраны таким образом, что напряжение насыщения УПТ 5 U_н (фиг. 2, к) всегда имеет противоположную полярность к U_o. Использование ограничителя 6 напряжения, в наиболее простом варианте выполненного на стабилитроне, подключенного к выходу УПТ 5 через балластный резистор, которое в зависимости от N_oпреобразуется в U_цап, позволяет сфоpмиpовать напряжение, служащее в последующем такте интегрирования в качестве опорного.It should be noted that the gain of the amplifier 5 is chosen large enough, therefore, almost with the start of integration U _o in the interval To, the UPT 5 enters the saturation mode (Fig. 2, k). The phases of the signal transmission of the integrator and UPT 5 are selected in such a way that the saturation voltage of the UPT 5 U _n (Fig. 2, k) always has the opposite polarity to U _o . The use of a voltage limiter 6, in the simplest version, implemented on a zener diode, connected to the output of the UPT 5 through a ballast resistor, which, depending on N _{o, is} converted to U _dac , allows you to form a voltage that serves as a reference voltage in the subsequent integration cycle.

В момент времени Т_х по переднему фронту импульса, формируемом на инвертирующем выходе триггера 19 (фиг. 2, д), на выходе дифференцирующей цепочки 21 вырабатывается короткий импульс (фиг. 2, е), переключающий RS-триггер 19 в единичное состояние (фиг. 2, м). Итак, на втором выходе блока 16 управления вырабатывается импульс, открывающий временной селектор 11 и, разрешая тем самым прохождения импульсов с ГСИ 9 на вход счетчика 13, а на третьем - импульс, открывающий электронный ключ 3. На вход интегратора 4 подается напряжение U_цап, которое приводит к изменению напряжения на выходе (фиг. 2, и). В момент времени t U_инт2станет равно нулю
U_инт2= U_инт1-

U_цап· dt = 0 (4)
Решая уравнение (4) относительно временного интервала (t-T_x), с учетом (1), (2), (3)
(t-T_x) = T_o·

(5)
После окончания разряда емкости интегратора УПТ 5 выходит из насыщения и попадает в активный режим. Перепад напряжения на выходе УПТ 5, образующийся при уравновешивании, приводит к срабатыванию компаратора 23, и на выходе дифференцирующей цепочки 2 вырабатывается короткий импульс (фиг. 2, л), переключающий триггер 19 в нулевое состояние (фиг. 2, м). Временной селектор 11 закрывается, в счетчике 13 установится число импульсов N_x:
N_x=f_o(t-T_x) (6)
С учетом (6), уравнение (5) примет вид
N_x= N_f=

·

· K· f_x (7) где K =

· T_o - общий коэффициент преобразования.At time T _x , a short pulse is generated at the output of the differentiating chain 21 at the leading edge of the pulse generated at the inverting output of the trigger 19 (Fig. 2, e), which switches the RS-trigger 19 to a single state (Fig . 2, m). Thus, at the second output of the control unit 16 produces a pulse opening time selector 11 and thereby allowing the passage of pulses with ICG 9 to the input of the counter 13, and the third - the pulse opens the electronic key 3. The input to the integrator 4 is energized U _DAC, which leads to a change in the output voltage (Fig. 2, and). At time t U _int2 becomes equal to zero
U _int2 = U _int1 -

U _DACDt = 0 (4)
Solving equation (4) with respect to the time interval (tT _x ), taking into account (1), (2), (3)
(tT _x ) = T _o

(5)
After the discharge of the capacitance of the integrator UPT 5 goes out of saturation and enters the active mode. The voltage drop at the output of UPT 5, formed during balancing, leads to the operation of the comparator 23, and a short pulse is generated at the output of the differentiating chain 2 (Fig. 2, l), which switches the trigger 19 to the zero state (Fig. 2, m). The time selector 11 is closed, the number of pulses N _{x is} set in the counter 13:
N _x = f _o (tT _x ) (6)
Given (6), equation (5) takes the form
N _x = N _f =

·

KF _x (7) where K =

· T _o is the total conversion coefficient.

Следует отметить, что электронный ключ 3 остается замкнутым до начала следующего цикла преобразования, интегратор 4 и УПТ 5 оказываются охваченными отрицательной обратной связью (ООС) через ограничитель напряжения и ЦАП. Большое усиление в петле ООС на постоянном токе способствует поддержанию на выходе интегратора напряжения, равного сдвигу на входе УПТ 5 (при отсутствии на входе интегратора до следующего цикла преобразования). It should be noted that the electronic key 3 remains closed until the start of the next conversion cycle, the integrator 4 and the UPT 5 are covered by negative feedback (OOS) through the voltage limiter and DAC. A large gain in the DC loop on DC helps to maintain a voltage at the integrator output equal to the shift at the input of the converter 5 (if there is no integrator at the input until the next conversion cycle).

Исходя из вышеизложенного, следует, что изменение способа измерения частоты позволяет обеспечить следующие преимущества заявляемого устройства, приводимые в сравнении с прототипом:
- за счет того, что преобразование образцового интервала времени в постоянное напряжение и преобразование полученного напряжения в информативный интервал времени осуществляется посредством одного и того же блока (интегратора), исключается погрешность, возникающая в результате нестабильности элементов интегратора;
- уменьшается значение статической погрешности, обусловленной входным сдвигом и дрейфом интегратора и сравнивающего устройства за счет введения следящей отрицательной обратной связи с выхода УЦПТ 5, на вход интегратора.Based on the foregoing, it follows that a change in the method of measuring frequency allows you to provide the following advantages of the claimed device, given in comparison with the prototype:
- due to the fact that the conversion of the reference time interval to constant voltage and the conversion of the obtained voltage to an informative time interval is carried out by the same unit (integrator), the error resulting from the instability of the integrator elements is eliminated;
- decreases the value of the static error due to the input shift and drift of the integrator and the comparator due to the introduction of tracking negative feedback from the output of the UCFT 5, to the input of the integrator.

Claims (3)

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. METHOD FOR MEASURING THE FREQUENCY OF LOW-FREQUENCY OSCILLATIONS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION. 1. Способ измерения частоты низкочастотных колебаний, основанный на промежуточном преобразовании периода измеряемой частоты и образцового интервала времени с последующим определением их отношения, отличающийся тем, что преобразование образцового интервала времени в постоянное напряжение осуществляется посредством интегрирования, а преобразование периода неизвестной (измеряемой) частоты в постоянное напряжение осуществляется путем подсчета импульсов образцовой частоты в течение периода измеряемой частоты и преобразовании полученного кода в напряжение с помощью цифроаналогового преобразования, последующее определение информативного интервала времени, пропорционального значению измеряемой частоты, осуществляется посредством интегрирования напряжения цифроаналогового преобразователя в пределах от результата преобразования длительности образцового интервала времени до наступления нулевого значения результата второго интегрирования, причем опорным напряжением для цифроаналогового преобразователя является выходное напряжение усилителя, включенного последовательно с интегратором. 1. A method of measuring the frequency of low-frequency oscillations, based on the intermediate conversion of the period of the measured frequency and the reference time interval with the subsequent determination of their ratio, characterized in that the conversion of the reference time interval to a constant voltage is carried out by integration, and the conversion of the period of the unknown (measured) frequency to constant the voltage is carried out by counting the impulses of the reference frequency during the period of the measured frequency and converting code to voltage using digital-to-analog conversion, the subsequent determination of the informative time interval proportional to the measured frequency value is carried out by integrating the voltage of the digital-to-analog converter in the range from the result of converting the duration of the standard time interval to the zero value of the second integration result, and the reference voltage for the digital-to-analog converter is output voltage of amplifier turned on with the integrator. 2. Устройство для измерения частоты низкочастотных колебаний, содержащее последовательно соединенные источник опорного напряжения, ключ и интегратор, генератор счетных импульсов, временной селектор и счетчик, формирователь образцового интервала времени, входной формирователь, отличающееся тем, что в него введены усилитель постоянного тока, цифроаналоговый преобразователь, дифференцирующая цепочка, ограничитель напряжения, второй счетчик импульсов, второй временной селектор, блок управления, причем выход интегратора через усилитель постоянного тока соединен с точкой, объединяющей третий вход блока управления и вход ограничителя напряжения, выход которого соединен с опорным входом цифроаналогового преобразователя, а выход последнего - с входом второго электронного ключа, выход генератора счетных импульсов соединен с входами формирователя образцового интервала времени и второго временного селектора, причем выход последнего соединен со счетным входом второго счетчика, выходная шина которого соединена с входной шиной цифроаналогового преобразователя, выход входного формирователя объединяет R-вход второго счетчика и первый вход блока управления, первый выход блока управления соединен с управляющим входом второго временного селектора и через дифференцирующую цепочку - с управляющим входом формирователя образцового интервала времени, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами первого временного селектора и второго электронного ключа, вход "Пуск" объединяет второй вход блока управления и R-вход первого счетчика. 2. A device for measuring the frequency of low-frequency oscillations, containing a series-connected reference voltage source, a key and an integrator, a counter of pulse counters, a time selector and a counter, a shaper of an exemplary time interval, an input shaper, characterized in that a direct current amplifier, a digital-to-analog converter are introduced into it , a differentiating circuit, a voltage limiter, a second pulse counter, a second time selector, a control unit, the integrator output through an amplifier DC is connected to a point combining the third input of the control unit and the input of the voltage limiter, the output of which is connected to the reference input of the digital-to-analog converter, and the output of the latter is connected to the input of the second electronic key, the output of the counting pulse generator is connected to the inputs of the former of the model time interval and the second time selector wherein the output of the latter is connected to the counting input of the second counter, the output bus of which is connected to the input bus of the digital-to-analog converter, the output is of the first shaper combines the R-input of the second counter and the first input of the control unit, the first output of the control unit is connected to the control input of the second time selector and through the differentiating chain to the control input of the shaper of the model time interval, the second and third outputs of the control unit are connected respectively to the control inputs of the first temporary selector and a second electronic key, the input "Start" combines the second input of the control unit and the R-input of the first counter.

Images