RU2583165C1 - Interpolates converter time interval in the digital code - Google Patents

Abstract

FIELD: watches and other measuring instruments of the time.

SUBSTANCE: device comprises a ring oscillator pulse, the set of its outputs connected to data inputs of the first register, one of the outputs - the first input pulse counter, whose output is connected to the corresponding data input of the second register. Digital outputs of the first and second registers are connected to respective digital inputs of the arithmetic unit. And the output of the first register is connected via the encoder, and the second register - directly; trigger output connected to the second input pulse counter, and the signal input terminals "Start" and "Stop". Additionally introduced monitoring unit period of the ring oscillator pulses, a digital output coupled to a corresponding digital input of the arithmetic unit, and the pulser ring is provided with an input block connected to the first input of the first flip-flop and via a pulse shaper - signal to the input terminal "Start". Wherein the input terminal "stop" signal via a second pulse shaper is connected to the clock inputs of the two registers and a second input flip-flop, and the first and second control inputs of the pulse period of the ring oscillator are respectively connected to one of the outputs of the ring oscillator and output pulses of the trigger.

EFFECT: technical result is to increase the accuracy of the conversion period of time in the digital code, and a simplified structure.

2 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к технике измерения интервалов времени, в частности к устройствам для преобразования длительности однократных импульсов в цифровой код.The invention relates to techniques for measuring time intervals, in particular to devices for converting the duration of single pulses into a digital code.

Уровень техникиState of the art

Для измерения интервалов времени применяются преобразователи время-код (ПВК), принцип работы которых основан на методе прямого счета импульсов опорного периода, укладывающихся в интервал времени [1]. Недостатки ПВК такого типа состоят в низком разрешении, равном опорному периоду, а также в погрешностях квантования, возникающих в начале и в конце преобразуемого интервала времени.To measure time intervals, time-code converters (PVC) are used, the principle of operation of which is based on the method of direct counting of reference period pulses that fit into the time interval [1]. The disadvantages of this type of PVC are the low resolution equal to the reference period, as well as the quantization errors that occur at the beginning and at the end of the converted time interval.

Повышенная точность цифрового измерения однократных интервалов времени достигается нониусным методом, при котором разрешение определяется разностью периодов основного и нониусного генераторов [2, 3]. Однако поскольку нониусная развертка занимает продолжительное время уже после окончания преобразуемого интервала, то нониусные ПВК имеют большое «мертвое» время и, следовательно, низкое быстродействие. Тот же недостаток свойствен и рециркуляционным ПВК, в которых импульс с длительностью измеряемого интервала циркулирует по кольцу и сокращается по длительности в каждом цикле до полного вырождения, а число циклов циркуляции подсчитывается [4].The increased accuracy of digital measurement of single time intervals is achieved by the vernier method, in which the resolution is determined by the difference between the periods of the main and vernier generators [2, 3]. However, since the vernier scan takes a long time after the end of the converted interval, the vernier PVCs have a large "dead" time and, therefore, low speed. The same drawback is also characteristic of recirculation PVCs, in which the pulse with the duration of the measured interval circulates in the ring and decreases in duration in each cycle to complete degeneracy, and the number of circulation cycles is calculated [4].

Противоречие между точностью и производительностью традиционных ПВК разрешается применением фазовой интерполяции, предусматривающей образование дополнительных точек отсчета времени внутри опорного периода. Способ реализуется разными путями, в том числе с помощью кольцевых генераторов импульсов (КГ), которые естественным образом согласуют основную шкалу отсчета времени - опорный период с субшкалой отсчета, образуемой множеством выходов КГ. Представителем данного типа ПВК, наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для измерения интервала времени [5], выбранное за прототип.The contradiction between the accuracy and performance of traditional PVCs is resolved by the use of phase interpolation, which provides for the formation of additional time points within the reference period. The method is implemented in various ways, including using ring pulse generators (KG), which naturally agree on the main time frame - the reference period with the sub-scale of the frame formed by the multiple outputs of the KG. The representative of this type of PVC, the closest in technical essence to the present invention is a device for measuring the time interval [5], selected for the prototype.

Устройство-прототип содержит кольцевой генератор импульсов, множеством своих выходов связанный с информационными входами первого регистра, одним из выходов - с первым входом счетчика импульсов, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам второго регистра. Цифровые выходы первого и второго регистров соединены с соответствующими цифровыми входами арифметического блока (сумматора), причем выход второго регистра присоединен непосредственно, а первого регистра - через первый шифратор. Устройство включает триггер, выходом присоединенный к второму входу счетчика импульсов, и входные зажимы сигналов «Старт» и «Стоп», а также третий регистр, нагруженный на соответствующий цифровой вход арифметического блока через второй шифратор, при этом входной зажим сигнала «Старт» подключен к одному входу триггера и тактовому входу первого регистра, а входной зажим «Стоп» - к другому входу триггера и тактовым входам второго и третьего регистров. Вывод результата преобразования осуществляется посредством четвертого регистра, информационные входы которого соединены с цифровым выходом арифметического блока, а тактовый вход - с входным зажимом сигнала «Стоп».The prototype device contains a ring pulse generator, with many of its outputs connected to the information inputs of the first register, one of the outputs - with the first input of the pulse counter, the outputs of which are connected to the corresponding information inputs of the second register. The digital outputs of the first and second registers are connected to the corresponding digital inputs of the arithmetic unit (adder), and the output of the second register is connected directly, and the first register is connected through the first encoder. The device includes a trigger, an output connected to the second input of the pulse counter, and input terminals of the “Start” and “Stop” signals, as well as a third register loaded on the corresponding digital input of the arithmetic block through the second encoder, while the input terminal of the “Start” signal is connected to one trigger input and the clock input of the first register, and the input terminal “Stop” - to the other trigger input and the clock inputs of the second and third registers. The conversion result is output through the fourth register, the information inputs of which are connected to the digital output of the arithmetic unit, and the clock input is connected to the Stop signal input terminal.

Недостатки устройства-прототипа заключаются в сложности его структуры и невысокой точности, связанной с нестабильностью опорного периода кольцевого генератора импульсов, что затрудняет практическое осуществление устройства на основе программируемой пользователем вентильной матрицы, не располагающей средствами управления периодом кольцевого генератора импульсов с целью его стабилизации.The disadvantages of the prototype device are the complexity of its structure and the low accuracy associated with the instability of the reference period of the ring pulse generator, which complicates the practical implementation of the device on the basis of a user-programmable gate array that does not have control over the period of the ring pulse generator in order to stabilize it.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Цель изобретения - повышение точности цифрового преобразования интервалов времени и упрощение структуры устройства, обеспечивающее его осуществление на основе программируемой пользователем вентильной матрицы.The purpose of the invention is to increase the accuracy of digital conversion of time intervals and simplify the structure of the device, ensuring its implementation on the basis of a user-programmable gate array.

Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения в него дополнительно введен блок контроля периода кольцевого генератора импульсов, цифровым выходом присоединенный к соответствующему цифровому входу арифметического блока, а сам кольцевой генератор импульсов снабжен входом блокировки, подключенным к первому входу триггера и через первый формирователь импульсов - к входному зажиму сигнала «Старт». При этом входной зажим сигнала «Стоп» через второй формирователь импульсов подключен к тактовым входам обоих регистров и второму входу триггера, а первый и второй входы блока контроля периода кольцевого генератора импульсов соединены соответственно с одним из выходов кольцевого генератора импульсов и с выходом триггера.This is achieved by the fact that, in contrast to the known technical solution, a period control unit for the ring pulse generator is additionally inserted into it, a digital output connected to the corresponding digital input of the arithmetic block, and the ring pulse generator itself is equipped with a blocking input connected to the first trigger input and through the first driver pulses - to the input terminal of the "Start" signal. In this case, the input signal stop signal through the second pulse shaper is connected to the clock inputs of both registers and the second trigger input, and the first and second inputs of the period control unit of the ring pulse generator are connected respectively to one of the outputs of the ring pulse generator and to the trigger output.

Блок контроля периода кольцевого генератора импульсов может строиться на основе делителя частоты, регистра и счетчика импульсов, первым входом соединенного с опорным генератором, а вторым входом совместно с тактовым входом регистра - с выходом делителя частоты, первый и второй входы которого служат соответственно первым и вторым входами блока контроля периода кольцевого генератора импульсов. При этом выходы регистра, у которого информационные входы присоединены к соответствующим выходам счетчика импульсов, являются цифровым выходом блока контроля периода кольцевого генератора импульсов.The period control unit of the ring pulse generator can be built on the basis of the frequency divider, register and pulse counter, the first input connected to the reference generator, and the second input together with the clock input of the register with the output of the frequency divider, the first and second inputs of which respectively serve as the first and second inputs block control period of the ring pulse generator. In this case, the outputs of the register in which the information inputs are connected to the corresponding outputs of the pulse counter are the digital output of the period control unit of the ring pulse generator.

Такое усовершенствование устройства позволяет устранить необходимость в стабилизации периода кольцевого генератора импульсов, который вместо этого непрерывно измеряется, а результат измерения используется для последующего вычисления значения преобразуемого интервала времени. Поскольку в кольцевом генераторе импульсов предусмотрен вход блокировки, обеспечивающий останов и последующий его запуск, то отпадает необходимость в ряде узлов, обеспечивающих съем информации о моментах «Старт» и «Стоп» «на лету» без останова генератора.Such an improvement of the device eliminates the need to stabilize the period of the ring pulse generator, which instead is continuously measured, and the measurement result is used to subsequently calculate the value of the converted time interval. Since a blocking input is provided in the ring pulse generator, which ensures stop and its subsequent start, there is no need for a number of nodes that provide information on the “Start” and “Stop” moments “on the fly” without stopping the generator.

Описание чертежейDescription of drawings

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема интерполирующего преобразователя интервала времени в цифровой код.In FIG. 1 is a functional electrical diagram of an interpolating time interval to digital code converter.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Устройство содержит кольцевой генератор 1 импульсов, первый 2, второй 3 регистры, счетчик 4 импульсов, шифратор 5, первый 6 и второй 7 формирователи импульсов, входные зажимы 8, 9 сигналов соответственно «Старт» и «Стоп», триггер 10, блок 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов и арифметический блок 12.The device contains a ring 1 pulse generator, first 2, second 3 registers, 4 pulse counter, encoder 5, first 6 and second 7 pulse shapers, input terminals 8, 9 of the signals “Start” and “Stop”, trigger 10, control unit 11 period of the ring pulse generator and arithmetic unit 12.

Блок 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов в предпочтительном варианте осуществления может включать счетчик 13 импульсов, опорный генератор 14, регистр 15 и делитель 16 частоты. Делитель 16 частоты имеет два входа: первый вход для приема импульсов с подлежащей делению частотой, и второй вход, появление сигнала на котором блокирует работу делителя.The period monitoring unit 11 of the ring pulse generator in a preferred embodiment may include a pulse counter 13, a reference generator 14, a register 15 and a frequency divider 16. The frequency divider 16 has two inputs: the first input for receiving pulses with the frequency to be divided, and the second input, the appearance of a signal on which blocks the operation of the divider.

Кольцевой генератор 1 импульсов в данном варианте осуществления изобретения представляет собой соединенные в кольцо N управляемых элементов задержки, один из которых имеет инвертирующий выход для обеспечения необходимой для генерирования общей инверсной обратной связи. Каждый элемент задержки кроме основного сигнального входа снабжен входом запрета, поступление импульса на который устанавливает уровень логического «0» на его выходе. Такими элементами задержки в интегральной схеме могут служить вентили И.The ring pulse generator 1 in this embodiment of the invention is an N-coupled delay element connected into a ring, one of which has an inverting output to provide the necessary in order to generate a common inverse feedback. Each delay element, in addition to the main signal input, is equipped with a prohibition input, the arrival of a pulse to which sets the logical level “0” at its output. Such delay elements in the integrated circuit can be valves I.

Преобразованию подлежит интервал времени T_X между моментами поступления на входные зажимы 8 и 9 сигналов соответственно «Старт» и «Стоп». Устройство работает следующим образом.The time interval T _X between the moments when the signals “Start” and “Stop” are received at the input terminals 8 and 9 are subject to conversion. The device operates as follows.

В отсутствие входных сигналов кольцевой генератор 1 импульсов непрерывно вырабатывает на своих N выходах последовательности импульсов формы «меандр», смещенных относительно друг друга на время задержки его каскада t_D, период импульсов составляетIn the absence of input signals, the ring pulse generator 1 continuously generates at its N outputs a sequence of pulses of the meander shape displaced relative to each other by the delay time of its cascade t _D , the pulse period is

T_G=2Nt_D.T _G = 2Nt _D.

Импульсы с одного из выходов этого генератора поступают на вход блока 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов, где их период делителем 16 частоты умножается в D раз (D - модуль делителя 16 частоты). В результате на входе сброса R счетчика 13 импульсов образуются импульсы с длительностью T_R=DT_G/2, равной паузе между ними. В течение каждой паузы счетчик 13 импульсов заполняется импульсами опорного генератора 14, его содержимое за это время достигает значенияThe pulses from one of the outputs of this generator are fed to the input of the period control unit 11 of the ring pulse generator, where their period is multiplied by a frequency divider 16 times D (D is the module of the frequency divider 16). As a result, pulses with a duration T _R = DT _G / 2 equal to the pause between them are formed at the reset input R of the counter 13 pulses. During each pause, the counter 13 pulses is filled with pulses of the reference generator 14, its contents during this time reaches a value

M=T_R/T_O=DT_G/2T_O,M = T _R / T _O = DT _G / 2T _O ,

где T_O - период импульсов опорного генератора 14. Таким образом, выполняется непрерывный контроль периода колебаний кольцевого генератора 1 импульсов, который определяется выражениемwhere T _O is the pulse period of the reference generator 14. Thus, continuous monitoring of the period of oscillation of the ring pulse generator 1, which is determined by the expression

$$T_G=\frac{2M{T}_O}{D}$$

. $$T_G=\frac{2M{T}_O}{D}$$

.

Время задержки одного каскада кольцевого генератора 1 импульсов определяет шаг дискретизации времени в устройстве, оно равноThe delay time of one cascade of a ring pulse generator 1 determines the time discretization step in the device, it is equal to

$$t_D=\frac{2M{T}_O}{2ND}$$

. $$t_D=\frac{2M{T}_O}{2ND}$$

.

Сигнал «Старт», поступающий на входной зажим 8 и сокращенный по длительности формирователем 6, взводит триггер 10 и приводит кольцевой генератор 1 в исходное состояние нулей во всех его каскадах, после чего он возобновляет работу с «нулевой» фазы. Взведенный триггер 10 блокирует работу делителя 16 частоты в блоке 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов, а также разрешает работу счетчика 4 импульсов, его содержимое начинает получать единичные приращения с каждым периодом импульсов кольцевого генератора 1. Так продолжается до момента поступления сигнала «Стоп» на входной зажим 9, когда короткий импульс формирователя 7 сбрасывает триггер 10 и производит запись в первый регистр 2 термометрического кода с выходов кольцевого генератора 1 импульсов, а во второй регистр 3 - достигнутого к окончанию измеряемого интервала содержимого счетчика 4 импульсов. Это содержимое равно числу K полных периодов T_G кольцевого генератора 1 импульсов, укладывающихся на измеряемом интервале T_X. Термометрический код первого регистра 2 преобразуется шифратором 5 в обычный двоичный код, отражающий позицию сигнала «Стоп» внутри периода кольцевого генератора 1 импульсов в числе шагов дискретизации t_D. С этого момента возобновляется также работа блока 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов.The “Start” signal, which arrives at the input terminal 8 and is shortened by the shaper 6, cockes the trigger 10 and brings the ring generator 1 to the initial state of zeros in all its stages, after which it resumes operation from the “zero” phase. The cocked trigger 10 blocks the operation of the frequency divider 16 in the block 11 for monitoring the period of the ring pulse generator, and also allows the counter 4 pulses to work, its contents begin to receive unit increments with each pulse period of the ring generator 1. This continues until the signal “Stop” arrives at the input clamp 9, when a short pulse of the shaper 7 resets trigger 10 and writes to the first register 2 of the thermometric code from the outputs of the ring pulse generator 1, and in the second register 3 is reached the end of the measured interval counter contents of 4 pulses. This content is equal to the number K of full periods T _{G of the} ring pulse generator 1 that fit on the measured interval T _X. The thermometric code of the first register 2 is converted by the encoder 5 into a regular binary code that reflects the position of the Stop signal within the period of the ring pulse generator 1 among the sampling steps t _D. From this moment, the operation of the period control unit 11 of the ring pulse generator is also resumed.

Таким образом, на цифровых входах арифметического блока 12 после окончания преобразуемого интервала оказываются числа: M - с выхода блока 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов; K - с выхода второго регистра 3; n - с выхода шифратора 5. Арифметический блок 11 вычисляет значение интервала времени T_X по формулеThus, at the digital inputs of the arithmetic unit 12 after the end of the converted interval there are numbers: M - from the output of the period control unit 11 of the ring pulse generator; K - from the output of the second register 3; n - from the output of the encoder 5. The arithmetic unit 11 calculates the value of the time interval T _X according to the formula

$$T_X=[2KN+n]\frac{M{T}_O}{ND}=\left(2K+\frac{n}{K}\right)\frac{M{T}_O}{D}$$

. $$T_X=[2KN+n]\frac{M{T}_O}{ND}=\left(2K+\frac{n}{K}\right)\frac{M{T}_O}{D}$$

.

При осуществлении ПВК на программируемой пользователем вентильной матрице все его блоки могут быть размещены на одном кристалле. Возможен также вариант, когда роль арифметического блока 12 возлагается на внешний компьютер. В любом случае арифметические вычисления могут занимать длительное время. Поэтому целесообразно снабдить арифметический блок 12 входным регистром, тогда после фиксации чисел M, K, n ПВК готов к следующему циклу преобразования. В этом случае «мертвое» время между циклами преобразования не превышает суммарного времени записи в регистр 2 и преобразования термометрического кода в шифраторе 5. Поскольку период кольцевого генератора 1 импульсов непрерывно измеряется, и результат измерения участвует в вычислении значения интервала, то нет необходимости в стабилизации этого периода, что дает возможность построения ПВК в виде полузаказной интегральной схемы с сокращением затрат времени и средств.When carrying out PVC on a user programmable gate array, all of its blocks can be placed on one chip. It is also possible that the role of the arithmetic unit 12 is assigned to an external computer. In any case, arithmetic calculations can take a long time. Therefore, it is advisable to equip the arithmetic unit 12 with an input register, then after fixing the numbers M, K, n, the PVC is ready for the next conversion cycle. In this case, the “dead” time between conversion cycles does not exceed the total time of writing to register 2 and conversion of the thermometric code in encoder 5. Since the period of the ring pulse generator 1 is continuously measured, and the measurement result is involved in calculating the interval value, there is no need to stabilize this period, which makes it possible to build a PVC in the form of a semi-custom integrated circuit with a reduction in time and money.

ЛитератураLiterature

1. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. - М.: Техносфера, 2006, 392 с.1. Rathor T.S. Digital measurements. ADC / DAC. - M .: Technosphere, 2006, 392 p.

2. Гурин Е.И., Дятлов Л.Е., Коннов Н.Н., Попов В.К., Севастьянов А.В. Нониусный измеритель временных интервалов на П.Л.И.С.- Приборы и техника эксперимента, 2004, №4, с. 44-48.2. Gurin E.I., Dyatlov L.E., Konnov N.N., Popov V.K., Sevastyanov A.V. Vernier time interval meter on P.L.I.S. - Instruments and experimental techniques, 2004, No. 4, p. 44-48.

3. Нониусный преобразователь время-код. - Патент РФ №2446427, МПК G04F 10/04. Опубл. 27.03.2012.3. Vernier time-code converter. - RF patent No. 2446427, IPC G04F 10/04. Publ. 03/27/2012.

4. Способ рециркуляционного преобразования коротких одиночных временных интервалов в цифровой код. - Патент РФ №2496130, МПК G04F 10/04. Опубл. 20.10.2013.4. The method of recirculating conversion of short single time intervals into a digital code. - RF patent No. 2496130, IPC G04F 10/04. Publ. 10/20/2013.

5. Устройство для измерения интервала времени. - Патент РФ №2260830, МПК G04F 10/04. Опубл. 20.09.2005 (прототип).5. A device for measuring the time interval. - RF patent №2260830, IPC G04F 10/04. Publ. 09/20/2005 (prototype).

Claims (2)

1. Интерполирующий преобразователь интервала времени в цифровой код, содержащий кольцевой генератор импульсов, множеством своих выходов связанный с информационными входами первого регистра, одним из выходов - с первым входом счетчика импульсов, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам второго регистра, цифровые выходы первого и второго регистров соединены с соответствующими цифровыми входами арифметического блока, причем выход первого регистра присоединен через шифратор, а второго регистра - непосредственно, а также триггер, выходом присоединенный к второму входу счетчика импульсов, и входные зажимы сигналов «Старт» и «Стоп», отличающийся тем, что в него дополнительно введен блок контроля периода кольцевого генератора импульсов, цифровым выходом присоединенный к соответствующему цифровому входу арифметического блока, а сам кольцевой генератор импульсов снабжен входом блокировки, подключенным к первому входу триггера и через первый формирователь импульсов - к входному зажиму сигнала «Старт», при этом входной зажим сигнала «Стоп» через второй формирователь импульсов подключен к тактовым входам обоих регистров и второму входу триггера, а первый и второй входы блока контроля периода кольцевого генератора импульсов соединены соответственно с одним из выходов кольцевого генератора импульсов и с выходом триггера.1. The interpolating converter of the time interval into a digital code containing a ring pulse generator, with its many outputs connected to the information inputs of the first register, one of the outputs - with the first input of the pulse counter, the outputs of which are connected to the corresponding information inputs of the second register, digital outputs of the first and second registers are connected to the corresponding digital inputs of the arithmetic unit, and the output of the first register is connected through the encoder, and the second register is directly o, as well as a trigger with an output connected to the second input of the pulse counter, and input terminals of the “Start” and “Stop” signals, characterized in that it additionally includes a period control unit for the ring pulse generator, with a digital output connected to the corresponding digital input of the arithmetic block and the ring pulse generator itself is equipped with a blocking input connected to the first input of the trigger and through the first pulse shaper to the input terminal of the “Start” signal, while the input terminal of the signal “Stop” through Ora pulse shaper is connected to the clock inputs of the two registers and a second input flip-flop, and the first and second inputs of the control unit of the annular pulser period are respectively connected to one of the outputs of the ring oscillator and output pulses of the trigger. 2. Интерполирующий преобразователь интервала времени в цифровой код по п. 1, отличающийся тем, что блок контроля периода кольцевого генератора импульсов выполнен в виде счетчика импульсов, первым входом присоединенного к выходу опорного генератора, а вторым входом совместно с тактовым входом регистра - к выходу делителя частоты, один вход делителя частоты служит первым входом блока контроля периода кольцевого генератора импульсов, а другой вход - его вторым входом, цифровой вход регистра подключен к цифровому выходу счетчика импульсов, а его цифровой выход служит цифровым выходом блока контроля периода кольцевого генератора импульсов. 2. The interpolating converter of the time interval into a digital code according to claim 1, characterized in that the period control unit of the ring pulse generator is made in the form of a pulse counter, the first input connected to the output of the reference generator, and the second input together with the clock input of the register to the output of the divider frequency, one input of the frequency divider is the first input of the period control unit of the ring pulse generator, and the other input is its second input, the digital input of the register is connected to the digital output of the pulse counter, and th digital output serves as output of the digital control pulse generator of the ring period.