RU2589351C1 - Method of measuring frequency ratio - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for measuring periodic signals frequency ratio. Method consists in fact that first measuring time interval is formed from number of periods of first signal frequency to obtain first code, suring which whole number of periods of third signal is determined to obtain third frequency code, simultaneously, from number of second signal frequency periods measurement time interval is formed to obtain second code, during which whole number of frequency periods of third signal is determined to obtain fourth code, wherein ratio of frequencies of first and second signals is obtained by multiplying first code by fourth code, second code by third code and by division of first product of codes on second product of codes.

EFFECT: technical result consists in reduction of sampling maximum relative error when measuring frequency ratios.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения отношения частот периодических сигналов.The present invention relates to the field of measurement technology and can be used to measure the frequency ratio of periodic signals.

Известен способ измерения отношения частот двух сигналов, имеющих синусоидальную форму [Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. - М.: Высшая школа, 1989. - 383 с. с ил.]. Способ заключается в том, что сигналы преобразуются в фигуры Лиссажу, которые отображаются на экране осциллографа, путем подключения первого сигнала к горизонтальным отклоняющим пластинам ЭЛТ, а второго сигнала к вертикальным отклоняющим пластинам ЭЛТ. Изображение на экране осциллографа стабилизируется, если отношение частот первого и второго сигналов может быть выражено в целых числах.A known method of measuring the frequency ratio of two signals having a sinusoidal shape [Atamalyan E.G. Instruments and methods for measuring electrical quantities. - M.: Higher School, 1989 .-- 383 p. with ill.]. The method consists in the fact that the signals are converted into Lissajous figures, which are displayed on the oscilloscope screen by connecting the first signal to the horizontal deflecting plates of the CRT and the second signal to the vertical deflecting plates of the CRT. The image on the screen of the oscilloscope is stabilized if the ratio of the frequencies of the first and second signals can be expressed in whole numbers.

Недостатком способа является узкая область его применения, т.к. фигуры Лиссажу появляются только, если отношение частот первого и второго сигналов может быть выражено в целых числах. Кроме того, возникают трудности определения значений целых чисел на экране осциллографа, когда целые числа велики, например при значениях больше 100.The disadvantage of this method is the narrow scope of its application, because Lissajous figures appear only if the ratio of the frequencies of the first and second signals can be expressed in whole numbers. In addition, difficulties arise in determining the values of integers on the oscilloscope screen when the integers are large, for example, with values greater than 100.

Известен способ измерения отношения частот двух сигналов, являющийся прототипом предлагаемого изобретения [Орнатский, П.П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые). - К.: Вища шк., 1986. - 504 с.]. Способ заключается в том, что подсчитывают целое число периодов частоты первого сигнала, получая первый код, уложившихся в целом числе периодов частоты второго сигнала, получая второй код, а отношение определяют путем деления первого кода на второй код.A known method of measuring the frequency ratio of two signals, which is the prototype of the invention [Ornatsky, P.P. Automatic measurements and instruments (analog and digital). - K .: Vishka school., 1986. - 504 p.]. The method consists in counting an integer number of frequency periods of the first signal, obtaining the first code that fit within the total number of frequency periods of the second signal, obtaining the second code, and the ratio is determined by dividing the first code by the second code.

Однако этот способ характеризуется большой максимальной относительной методической погрешностью дискретизации особенно на низких частотах. Абсолютное значение погрешности дискретизации при подсчете периодов одной частоты в течение измерительного интервала времени, который формируется из целого числа периодов второго сигнала, лежит в диапазоне (-Т₁…+Т₁), где T₁ - период первой частоты. Таким образом, максимальная относительная погрешность дискретизации способа-прототипа будет равна $$\frac{1}{m\cdot {Т}_2}$$

, где m - целое число периодов второй частоты, из которых сформирован измерительный интервал времени. Например, если F₁ (первая частота) близка к 1000 Гц, a F₂ (вторая частота) близка к 100 Гц, то за время измерения 1 с максимальная относительная методическая погрешность дискретизации будет равна 0,1%. Для уменьшения ее значения в 100 раз потребуется увеличить время измерения до 100 с.However, this method is characterized by a large maximum relative methodological sampling error, especially at low frequencies. The absolute value of the sampling error when calculating the periods of one frequency during the measuring time interval, which is formed from an integer number of periods of the second signal, lies in the range (-T ₁ ... + T ₁ ), where T ₁ is the period of the first frequency. Thus, the maximum relative sampling error of the prototype method will be equal to $$\frac{\mathrm{one}}{m\cdot {\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="T"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">T</figure-callout>}}_2}$$

, where m is the integer number of periods of the second frequency from which the measuring time interval is formed. For example, if F ₁ (first frequency) is close to 1000 Hz, and F ₂ (second frequency) is close to 100 Hz, then during a measurement time of 1 s the maximum relative methodological sampling error will be 0.1%. To reduce its value by 100 times, it will be necessary to increase the measurement time to 100 s.

Задачей (технический результат) предлагаемого изобретения является уменьшение максимальной относительной методической погрешности дискретизации при измерении отношения частот.The objective (technical result) of the present invention is to reduce the maximum relative methodological sampling error when measuring the ratio of frequencies.

Поставленная задача решается следующим образом. Формируют из целого числа периодов частоты первого сигнала первый измерительный интервал времени, получая первый код, в течение которого подсчитывают целое число периодов частоты третьего сигнала, получая третий код, одновременно с этим формируют из целого числа периодов частоты второго сигнала измерительный интервал времени, получая второй код, в течение которого подсчитывают целое число периодов частоты третьего сигнала, получая четвертый код, при этом отношение частот первого и второго сигналов получают путем умножения первого кода на четвертый код, второго кода на третий код и делением первого произведения кодов на второе произведение кодов.The problem is solved as follows. A first measuring time interval is formed from an integer number of frequency periods of the first signal, obtaining a first code, during which an integer number of frequency periods of the third signal is calculated, obtaining a third code, and at the same time, a measuring time interval is formed from an integer number of frequency periods of the second signal, obtaining a second code , during which an integer number of frequency periods of the third signal is calculated, obtaining the fourth code, while the frequency ratio of the first and second signals is obtained by multiplying the first code and on the fourth code, the second code on the third code and dividing the first product of codes by the second product of codes.

На фигуре 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.The figure 1 shows a functional diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит:The device contains:

Формирователи импульсов (Ф) 1, 2;Shapers of impulses (Ф) 1, 2;

Ключи (К) 3, 4, 5, 6;Keys (K) 3, 4, 5, 6;

Счетчики импульсов (Сч) 7, 8, 9, 10;Impulse counters (MF) 7, 8, 9, 10;

Устройство управления (УУ) 11;The control device (UU) 11;

Генератор импульсов (ГИ) 12;Pulse Generator (GI) 12;

Отсчетное устройство (ОУ) 13.Reading device (OS) 13.

Выходы формирователей импульсов 1 и 2 соединены с информационными входами ключей 3 и 4 соответственно, а также с импульсными входами Uимп.вх1 и Uимп.вх2 устройства управления 11 соответственно. Выходы ключей 3 и 4 присоединены к счетным входам счетчиков импульсов 7 и 8 соответственно. Выход генератора импульсов 12 присоединен к информационным входам ключей 5 и 6, а их выходы связаны со счетчиками импульсов 9 и 10 соответственно. Информационные выходы счетчиков 7, 8, 9, 10 связаны с информационными входами Uинф.вх1, Uинф.вх2, Uинф.вх3, Uинф.вх4 устройства управления 11 соответственно. Импульсные выходы устройства управления 11 Uимп.вых1, Uимп.вых2, Uимп.вых5, Uимп.вых6 соединены с входами сброса в ноль счетчиков импульсов 7, 8, 9, 10 соответственно. Входы управления ключами 3, 4, 5 и 6 связаны с импульсными выходами Uимп.вых3, Uимп.вых4, Uимп.вых7, Uимп.вых8 устройства управления 11 соответственно. Информационный выход микроконтроллера Uинф.вых1 устройства управления 11 присоединен к входу отсчетного устройства 13.The outputs of the pulse shapers 1 and 2 are connected to the information inputs of the keys 3 and 4, respectively, as well as to the pulse inputs Uimp.in1 and Uimp.in2 of the control device 11, respectively. The outputs of the keys 3 and 4 are connected to the counting inputs of the pulse counters 7 and 8, respectively. The output of the pulse generator 12 is connected to the information inputs of the keys 5 and 6, and their outputs are connected to the pulse counters 9 and 10, respectively. The information outputs of the counters 7, 8, 9, 10 are connected to the information inputs Uin.in1, Uinin.in2, Uinin.in3, Uinin.in4 control device 11, respectively. The pulse outputs of the control device 11 Uimp.out1, Uimp.out2, Uimp.out5, Uimp.out6 are connected to the reset inputs to zero pulse counters 7, 8, 9, 10, respectively. Key management inputs 3, 4, 5, and 6 are connected to the pulse outputs Uimp.out3, Uimp.out4, Uimp.out7, Uimp.out8 of control device 11, respectively. The information output of the microcontroller Uinf.out1 control device 11 is connected to the input of the reading device 13.

Формирователи импульсов 1, 2 могут быть выполнены на основе компаратора, например МАХ9692 (производства MAXIM). В качестве ключей 3, 4, 5 и 6 могут быть использованы микросхемы МАХ14778 (производства MAXIM). Счетчики импульсов 7, 8, 9 и 10 могут быть выполнены, например, по традиционной схеме на триггерах МАХ9381 (производства MAXIM) либо содержатся в микроконтроллере устройства управления 11. В качестве микроконтроллера устройства управления 11 может быть выбрана схема, например, АТ32АР7000 (производства Atmel). Генератор импульсов 12 может быть выполнен на основе кварцевого генератора, например, ГК137-ТС (производства МОРИОН). В качестве отсчетного устройства 13 может быть использован персональный компьютер с USB входом.The pulse shapers 1, 2 can be performed on the basis of a comparator, for example, MAX9692 (manufactured by MAXIM). As keys 3, 4, 5 and 6, MAX14778 microcircuits (manufactured by MAXIM) can be used. The pulse counters 7, 8, 9, and 10 can be performed, for example, according to the traditional scheme on triggers MAX9381 (manufactured by MAXIM) or contained in the microcontroller of the control device 11. As a microcontroller of the control device 11, a circuit, for example, AT32AR7000 (manufactured by Atmel) can be selected ) The pulse generator 12 can be made on the basis of a crystal oscillator, for example, GK137-TS (manufactured by MORION). As the reading device 13, a personal computer with a USB input can be used.

Способ осуществляется следующим образом. На вход формирователя импульсов 1 (см. фиг. 1) подается сигнал с частотой F₁, а на вход формирователя импульсов 2 сигнал с частотой F₂. В исходном состоянии устройство управления 11 через Uимп.вых1, Uимп.вых2, Uимп.вых5, Uимп.вых6 устанавливает счетчики импульсов 7, 8, 9 и 10 в нулевое состояние и через Uимп.вых3, Uимп.вых4, Uимп.вых7, Uимп.вых8 разрывает ключи 3, 4, 5 и 6.The method is as follows. At the input of the pulse former 1 (see Fig. 1) a signal with a frequency of F ₁ is supplied, and at the input of the pulse former 2 a signal with a frequency of F ₂ . In the initial state, the control device 11 through Uimp.out1, Uimp.out2, Uimp.out5, Uimp.out6 sets the pulse counters 7, 8, 9 and 10 to zero and through Uimp.out3, Uimp.out4, Uimp.out7, Uimp .out8 breaks keys 3, 4, 5, and 6.

На фигуре 2 представлена временная диаграмма работы устройства, реализующего предлагаемый способ.The figure 2 presents a timing diagram of a device that implements the proposed method.

Начиная с некоторого момента времени (на фигуре 2 обозначен линией с надписью «старт»), который задается устройством управления 11, устройство управления 11 сбрасывает показания счетчиков импульсов 7, 8, 9, 10 через импульсные выходы Uимп.вых1, Uимп.вых2, Uимп.вых5, Uимп.вых6 соответственно и ожидает прихода импульса на импульсный вход Uимп.вх1 и Uимп.вх2 с выхода формирователя импульсов 1 и формирователя импульсов 2 соответственно.Starting from a certain point in time (indicated by a line with the inscription "start" in figure 2), which is set by the control unit 11, the control unit 11 resets the readings of the pulse counters 7, 8, 9, 10 through the pulse outputs Uimp.out1, Uimp.out2, Uimp .out5, Uimp.out6, respectively, and expects a pulse to arrive at the pulse input of Uimp.in1 and Uimp.in2 from the output of pulse shaper 1 and pulse shaper 2, respectively.

Пусть из ожидающих импульсов первым придет импульс с выхода формирователя импульсов 1 на импульсный вход Uимп.вх1 устройства управления 11, инициирует устройство управления 11, которое через импульсные выходы Uимп.вых3 и Uимп.вых7 замыкает ключи 3 и 5 соответственно. Счетчик 7 начинает счет импульсов, следующих с частотой F₁, которая задается входным сигналом, поступающим на вход формирователя импульсов 1. Счетчик импульсов 9 считает импульсы с частотой F_г, идущие от генератора импульсов 12.Let the pulse coming first from the output of the pulse shaper 1 to the pulse input Ump.in1 of control device 11, initiate a control device 11, which closes keys 3 and 5, respectively, through the pulse outputs Ump.out3 and Upp.out7. The counter 7 starts the count of pulses following with a frequency F ₁ , which is set by the input signal supplied to the input of the pulse shaper 1. Pulse counter 9 counts the pulses with a frequency F _g coming from the pulse generator 12.

В момент прихода ожидаемого импульса с выхода формирователя импульсов 2 на импульсный вход Uимп.вх2 устройства управления 11 устройство управления 11 через импульсные выходы Uимп.вых4 и Uимп.вых8 замыкает ключи 4 и 6 соответственно. При этом счетчик импульсов 8 начинает счет импульсов, следующих с частотой F₂, которая задается входным сигналом, поступающим на вход формирователя импульсов 2. Счетчик импульсов 10 начинает счет импульсов с частотой F_г, идущих с выхода генератора импульсов 12.When the expected pulse arrives from the output of the pulse shaper 2 to the pulse input Uimp.in2 of the control device 11, the control device 11 closes the keys 4 and 6, respectively, through the pulse outputs Uimp.out4 and Uimp.out8. In this case, the pulse counter 8 starts the count of pulses following with a frequency F ₂ , which is set by the input signal supplied to the input of the pulse shaper 2. The pulse counter 10 starts counting pulses with a frequency F _g coming from the output of the pulse generator 12.

Такой режим работы устройства сохраняется в течение некоторого интервала времени, который задается устройством управления 11. После окончания этого интервала времени и прихода очередного импульса с выхода формирователя импульсов 1 на импульсный вход Uимп.вх1 устройства управления 11, которое через импульсные выходы Uимп.вых3 и Uимп.вых7 разрывает ключи 3 и 5, соответственно. И после прихода очередного импульса с выхода формирователя импульсов 2 на импульсный вход Uимп.вх2 устройства управления 11, которое через импульсные выходы Uимп.вых4 и Uимп.вых8 разрывает ключи 4 и 6, соответственно.This mode of operation of the device is maintained for a certain time interval, which is set by the control device 11. After the end of this time interval and the arrival of the next pulse from the output of the pulse shaper 1 to the pulse input Uimp.in1 of the control device 11, which through the pulse outputs Uimp.out3 and Uimp .out 7 breaks keys 3 and 5, respectively. And after the arrival of the next pulse from the output of the pulse shaper 2 to the pulse input Uimp.in2 of the control device 11, which breaks the keys 4 and 6 through the pulse outputs Uimp.out4 and Uimp.out8, respectively.

Далее в устройстве управления 11 вычисляется отношение частот F₁ и F₂ по формуламNext, in the control device 11, the ratio of the frequencies F ₁ and F _{2 is} calculated by the formulas

где N₇, N₈, N₉, N₁₀ - коды счетчиков импульсов 7, 8, 9, 10 соответственно, в конце измерения, определяемого устройством управления 11. Тогда можно записатьwhere N ₇ , N ₈ , N ₉ , N ₁₀ are the codes of the pulse counters 7, 8, 9, 10, respectively, at the end of the measurement determined by the control device 11. Then we can write

Из сути предлагаемого способа измерения отношения частот следует, что максимальная относительная методическая погрешность дискретизации образуется при подсчете числа импульсов, следующих с частотой F_г, за целое число периодов, следующих с частотой F₁ (время счета, равное N₇·Т₁), и за целое число периодов, следующих с частотой F₂ (время счета, равное N₈·T₂), на счетчиках импульсов 9 и 10 соответственно. Учитывая этот факт, можно записатьFrom the essence of the proposed method for measuring the frequency ratio, it follows that the maximum relative methodological sampling error is formed by counting the number of pulses following with a frequency F _g for an integer number of periods following with a frequency F ₁ (counting time equal to N ₇ · T ₁ ), and for an integer number of periods following with a frequency of F ₂ (counting time equal to N ₈ · T ₂ ), on pulse counters 9 and 10, respectively. Given this fact, we can write

Тогда максимальная относительная методическая погрешность дискретизации будет равнаThen the maximum relative methodological sampling error will be equal to

А в прототипе она равнаAnd in the prototype it is equal to

В предлагаемом устройстве F_г выбирается исходя из возможности быстродействия логических элементов и счетчиков импульсов. В настоящее время F_г может быть выбрана от 100 МГц до 1 ГГц и более. Таким образом, выбирая время измерения, которое задается устройством управления 11, примерно равным 1 с, можно получить максимальную относительную методическую погрешность дискретизации, не превышающую 2·(10^-8-10^-9). Причем эта погрешность практически не зависит от значений F₁ и F₂ в диапазоне частот от единиц герц до сотен МГц. В то время как в прототипе максимальная относительная методическая погрешность дискретизации зависит от значений F₁ и F₂, например, F₂=10³ Гц, a N_m·T₁ близко к 1 с, тогда максимальная относительная методическая погрешность дискретизации равна 10^-3. При этом из формулы (3) следует, что результат отношения частот в предлагаемом способе не зависит от частоты F_г и ее стабильности, так как измерение частот F₁ и F₂ производится одновременно.In the proposed device, F _g is selected based on the possibility of speed of logic elements and pulse counters. Currently, F _g can be selected from 100 MHz to 1 GHz or more. Thus, choosing the measurement time, which is set by the control device 11, approximately equal to 1 s, you can get the maximum relative methodological sampling error, not exceeding 2 · (10 ^-8 -10 ^-9 ). Moreover, this error is practically independent of the values of F ₁ and F ₂ in the frequency range from units of hertz to hundreds of MHz. While in the prototype the maximum relative methodological error of sampling depends on the values of F ₁ and F ₂ , for example, F ₂ = 10 ³ Hz, and N _m · T _{1 is} close to 1 s, then the maximum relative methodological error of sampling is 10 ^-3 . Moreover, it follows from formula (3) that the result of the frequency ratio in the proposed method does not depend on the frequency F _g and its stability, since the frequencies F ₁ and F ₂ are measured simultaneously.

Таким образом, в предложенном способе может быть существенно снижена максимальная относительная методическая погрешность дискретизации по сравнению с прототипом.Thus, in the proposed method, the maximum relative methodological sampling error can be significantly reduced in comparison with the prototype.

Claims (1)

Способ измерения отношения частот, заключающийся в том, что формируют из целого числа периодов частоты первого сигнала первый измерительный интервал времени, получая первый код, отличающийся тем, что в течение первого измерительного интервала подсчитывают целое число периодов частоты третьего сигнала, получая третий код, одновременно с этим формируют из целого числа периодов частоты второго сигнала измерительный интервал времени, получая второй код, в течение которого подсчитывают целое число периодов частоты третьего сигнала, получая четвертый код, при этом отношение частот первого и второго сигналов получают путем умножения первого кода на четвертый код, второго кода на третий код и делением первого произведения кодов на второе произведение кодов. The method of measuring the frequency ratio, which consists in forming the first measuring time interval from an integer number of frequency periods of the first signal, obtaining a first code, characterized in that during the first measuring interval, an integer number of frequency periods of the third signal is counted, obtaining the third code, simultaneously with this forms a measuring time interval from an integer number of frequency periods of the second signal, obtaining a second code, during which an integer number of frequency periods of the third signal is calculated, obtaining I’m the fourth code, and the ratio of the frequencies of the first and second signals is obtained by multiplying the first code by the fourth code, the second code by the third code and dividing the first product of codes by the second product of codes.

Images