SU1413542A1 - Устройство дл цифрового измерени частоты медленно мен ющихс процессов - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано дл  измерени  процессов ,малой скорости, например частоты пульса, дыхани . Устройство, дл  цифрового измерени  частоты медленно мен ющихс  процессов содержит входной форьшро- ватель 1, генератор (Г) 2 пилообраз ного напр жени , пиковый детектор 3, управл емый Г 4, триггеры 5,6 ключи 7,15,16, импульсный Г 8 опорной частоты, дифференцирующие цепи 9,18, компаратор 10, источники 11,12 опорного напр жени  соответственно, вспомогательный конденсатор 14, логический инвертор 17, счетчик J9 импульсов . Устройство имеет повышенную точность измерени ,.2 з,п,ф-лы, 6 ил.

Description

Вход

(Л

Фиг. 1

Изобретение относитс  к технике электрических измерений и предназначено дл  измерени  частоты процес- сов малой скорости, например частоты лульса, , дыхани  и т.д.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  и расширение диапазона измер емых частот.

На фиг.1 представлена функциональ- на  схема устройства дл  цифрового измерени  частоты медленно мен ющихс  процессов; на фиг,2 - временные диаграммы, по сн ющие работу устройства; на фиг.3-5 - функциональные cxeмы соответственно пикового детектора, импульсного генератора опорной частоты и магазина конденсаторов, нафиг.6 времениые диаграммы, по сн ющие рабо- ту магггзипа конденсаторов,

Устройство дл  цифрового измерени  частоты медленно мен ющихс  процессов содержит входной формирователь 1, генератор 2 пилообразного напр жени , пиковый детектор 3, управ- л еный генератор 4, первый 5 и второй 6 триггеры, первый ключ 7, импульсный генератор 8 опорной частоты, первую дифференцирующую цепь 9, компаратор 10, первый 11 и второй 12 источники опорного напр жени , магазин 13 конденсаторов, вспомогательный конденсатор .14, второй 15 и третий 6 ключи, логический инвертор J7, вторую дифференцирующую цепь J8 и счетчик J9 импульсов.

Генератор 2 пилообразного напр жени  может быть выполнен, например, на зталонном конденсаторе 20, генераторе 21 тока и цепи 22 разрад  эта- лоннох о конденсатора.

Ликовый детектор 3 может содержать например, эмиттерный повторитель 23, аналоговое запоминающее устройство 24 устройство 25 сброса напр жени  и элемент ИЛИ 26.

Импульсный генератор 8 опорной .частоты может быть реализован, напри- мер, на счетчике 27 импульсов, коммутаторе 28, генераторе 29. импуль- сов, h делител х 30-1-30-h частоты импульсов.

Магазин 13 конденсаторов может содержать, например, сдвиговый регистр 31 , генератор 32 логической единицы , управл емый блок 33 конденсаторов , блок 34 задержки, выполненный на конденсаторе 35 и резисторе 36, а управл ющий блок 33 конденсаторов мо

5 . 0

5 О

0

5

д

5

5

жет включать в себ , например, 1 параллельно соединенных ветвей, кажда  j-  ветвь состоит из последовательно включенных коденсатора 37-j и ключа 38-j, причем управл ющие входы ключей 38-1 - 38-2  вл ютс  соответствующими входами управл емого блока 33 конденсаторов, а концы всех указанных ветвей соединены соответственно с выходом управл емого блока конденсаторов и шиной нулевого потенциала .

Устройство работает следующим образом .

Импульсна  последовательность измер емой частоты преобразуетс  входным .формирователем 1 (фиг.2а) в короткие пр моугольные импульсы, передний фронт которых соответствует во времени экстремальному значению каждого периода исследуемого процесса (фиг.2б).Первьй импульс с выхода формировател  1 поступает на вход триггера 5, взвод  его, а также поступает на управл ющий вход цепи разр да генератора 2 пилообразного напр жени , воздейству  на последнюю, что приводит к быстрой разр дке через нее эталонной емкости С в моЭТ2О

мент t, Выходной импульс формировател  1 поступает также на управл ю-, щий вход ключа 15, замыка  его, и через логический инвертор J7 на управл ющий вход ключа 16, размыка  его, при этом вспомогательный конденсатор 14 зар жаетс  до напр жени  опорного источника П. Кроме того, им- рульс формировател  1, поступа  на первый вход магазина 13 конденсаторов , устанавливает потенциалы логической единицы на входе параллельной записи сдвигового регистра 31 и через врем  задержки блока 34 задержки поступает на второй вход управлени  параллельной записи .сдвигового регистра 31 (фиг.бв, и8|,„с(34)).11риэтом в течени.е времени совместного действи  импульсов на первом и втором входах сдвигового регистра 31 на его выходе устанавливаютс  уровни логической единицы, которые, поступа  на управл ющие входы ключей 38 блока 33 конденсаторов, замыкают ключи 38, а следовательно и первые выводы конденсаторов 37 на шину нулевого потенциала , вторые соединенные друг с другом выводы конденсаторов,  вл  сь выходом магазина 13 конденсаторов.

подсоединены также к шине нулевого потенциала через цепь 22 разр да генератора 2 пилообразного напр жени , В результате конденсаторы 37 разр - жаютс  до нул . После окончани  действи  импульса на выходе формировател  1 цепь 22 разр да размыкаетс , на первых выходах регистра 31 сдвига, а следовательно, и на его выходах ус танавливаютс  уровни логического нул  , при этом ключи 38 размыкаю тс , вспомогательный конденсатор 14 отсоедин етс  от источника 11 и подсоедин етс  ключом 16 к эталонноь{у конден сатору 20, перераспределение зар дов на которых приводит к установлению потенциала на них, определ емого выражением

Crt

ин(Ч) и

(f

CH

(1)

где и.. - напр жение на выходе первого источника 11 опорного напр жени ;

- емкости конденсаторов 14

Cjo и 20 соответственно. Начина  со значени - U, формируемое в последующие моменты времени напр жение на .выходе генератора 2 пилообразного напр жени  совпадает с пи- лообразным напр жением, начало генерации которого совпадают с передним фронтом импульса на выходе формировател  1. Таким образом, точность формировани  пилообразного напр жени , особенно дл  малых времен, на выходе генератора 2 значительно выше, по сравнению с известным устройством, дл  которого начало формировани  пилообразного напр жени  существенно не совпадает с началом управл ющего импульса и зависит от времени, необходимого дл  разр да конденраторов устройств. ,

При больщом периоде входных импульсов напр жение на выходе генератора 2, линейно нараста , достигает уровн  напр жени  U второго источника 12 опорного напр жени , при этом компаратор 10 в момент

t, срабатыва9

ет, в результате чего на второй вход магазина 13 конденсаторов, а следовательно , и на вход управлени  последовательной записью сдвигового ре пикового детектора 3 (фиг,2е),

С выхода управл емого генератора 4 последовательность импульсов поступает на счетный вход второго триггера 6 который находитс  в исходном состо 50 НИИ (входное напр жение триггера 6 .соответствует уровню логической единицы ) , При этом выходные импульсы генератора 4, поступающие на счетный вход триггера 6, не могут изменить

гистра 31 поступает импульс (фиг.бг, его состо ние до тех пор, пока напр 

. (13)), при этом в первый разр д сдвигового регистра 31 заноситс  логическа  единица, поступающа 

жение на входе установки триггера 6 не станет равным уровню лргической единицы.

из генератора 32 логической единицы на вход последовательной информации сдвигового регистра 31, при этом ключ 38-1 замыкаетс  и конденсатор 37-1 подсоедин етс  параллельно конденсаторам 14 и 20, напр жение на которых в момент времени t скачком падает с напр жени , величины

равного , до

/2)

i Г...+ с. + Cjg,.

с,+

V

а пиковый детектор 3 под действием импульса компаратора 10 разр жаетс  до этого же напр жени . Кроме того, импульс компаратора 10, поступа  на первый вход импульсного генератора 8, увеличивает код счетчика 27 на единицу , что соответствует изменению масштаба представлени  периода входной последовательности напр жением в q раз.

Если q прин ть равной двум, то

С,„

С,

q S/

го

V

s,-,-...CH

с +

ео

(3)

J9-1 e-i-l Соотношение (3) позвол ет последовательно выбирать величины емкостей конденсаторов Cjg.j- С,..

Напр жение эталонного конденсатора 20, поступа  через эмиттерный

повторитель 23 на вход аналогового запоминающего устройства 24, отслеживаетс  последним йа его выходе,  вл ющемс  выходом пикового детектора 3 (фиг.З), с которого поступает, на вход

управл емого генератора 4 с линейной модул ционной характеристикой,.формирующего импульсы, частота следовани  которых (фиг,2ж) мен етс  в зависимости от управл ющего напр жени 

пикового детектора 3 (фиг,2е),

С выхода управл емого генератора 4 последовательность импульсов поступает на счетный вход второго триггера 6, который находитс  в исходном состо НИИ (входное напр жение триггера 6 , соответствует уровню логической единицы ) , При этом выходные импульсы генератора 4, поступающие на счетный вход триггера 6, не могут изменить

его состо ние до тех пор, пока напр 

его состо ние до тех пор, пока напр 

жение на входе установки триггера 6 не станет равным уровню лргической единицы.

14135А2 и т.д.

15

В моменты времени t ,t ,.,., выходное напр жение триггера 5 измен етс  с нулевого уровн  на уровень логической единицы. При этом триг--; 5 гер 6 получает возможность работать в счетном режиме (т.е.возможность измен ть состо ние уровней выходных напр жений при поступлении импульсов на счетный вход),Ю

С приходом первого счетного импульса с выхода управл емого генератора 4 на счетный вход второго триггера 6 выходной уровень напр жени  последнего измен етс  на противоположный . Первый импульс генератора 4 переводит второй триггер из состо ни  огической единицы в нулевое.

Второй импульс с выхода управл емого генератора 4, воздейству  в мо- 20 мент времени t на счетный вход второго триггера 6, вновь перебрасывает его в противоположное (исходное) состо ние . Импульс, сформированный на выходе триггера 6, дифференцируетс  дифференцирующей цепью 9.Выходной импульс дифференцирующей цепи положительной пол рности в момент времени tt поступает на вход установки нул  триггера 3 и сбрасывает триггер 5. 30 При этом нулевой уровень напр жени  с выхода первого триггера 5 (фиг.2з), поступив на установочньй вход (установки уровн  логической единицы) второго триггера 6, переводит его в состо - з5 ние, нечувствительное к кмпульсам с выхода импуль сного генератора 4.

Сформированный таким образом в интервале времени импульс на выходе второго триггера 6 (фиг,2и) по- 40 ступает на второй вход (управл ющий) электронного ключа 7, открыва  его на Ьрем  своего действи . Через от25

крытый электронньш ключ 7 импульсы, поступающие на первый вход последнего 45 i с выхода генератора 8 опорной частоты , проход т на выход электронного ключа 7 (фиг.3л) до тех пор, пока он не закроетс  в момент времени t по окончании действи  импульса с вы- 50 хода триггера 6.

Таким образом, электронный ключ 7 открыт в промежуток времени или на врем , равное периоду следовани  импульсов на выходе управл емого 55 генератора.

Число этих импульсов пропорционально измер емой частоте процесса.

за и сы ус ви пу пи ро за хо вт те ни ра то па ан ра

и го п е мо он из те вш ра ра ко де ла

во им ча то ны да ме им не

ро в ни ча пу

Ф

ре це ч по

i

Напр жение на выходе аналогового запоминающего устройства 24 (фиг.З) и на выходе пикового детектора 3 сбрасываетс  в момент времени t через устройство 25 сброса путем воздействи  на последнее положительного импульса с выхода дифференцирующей цепи 9 (фиг.2к), после действи  которого напр жение на выходе аналогового запоминающего устройства 24 и на выходе пикового детектора 3 вновь повтор ет через эмиттерный повторитель 23 линейно измен ющеес  напр жение с эталонной емкости 20 генератора 2 пилообразного напр жени , кроме того, после каждого срабатывани  компаратора JO (фиг.2в) производитс  аналогичный сброс пикового детектора 3. .

Используемые дл  измерени  первый и второй выходные импульсы импульсного генератора 4, составл ющие его п ериод Tj. .следуют позднее момента времени t,установлени  стационарного режима блока 4. Так как дл  измерени  используетс  временной ин тервал следовани  импульсов, следую- вшй за моментом времени t,то дл  работы данного импульсного генератора 4 не требуетс  синхронизации скачков управл емого напр жени  пикового детектора с выходными импульсами релаксационного генератора.

Предлагаемое устройство дл  цифрового измерени  мгновенной частоты импульсной последовательности отличаетс  от известного более высокой точностью, особенно в области повышенных частот, так как измерение периода выходных имп: льсов выполн етс  . между одноименными фронтами входных импульсов, при этом врем  обработки не вли ет на результат измерени .

i

Благодар  коммутации конденсаторов магазина J3 расшир етс  диапазон в области низких частот При изменении кода счетчика 27 измен етс  и частота на выходе генератора 8 импульсов в q раз.

Claims (3)

1. Формула изобретени 

   J. Устройство дл  цифрового измерени  частоты медленно мен ющихс  процессов по авт.св. № 930J44, отличающеес  тем, что, с целью повьш1ени  точности измерени  и расти71

   рени  диапазона измер емых частот, в него введены второй конденсатор, второй и третий ключи, логический инвертор , два источника опорного напр жени , компаратор, магазин конденсаторов , втора  дифференцирующа  цепь, счетчик импульсов, причем первый вывод второго конденсатора соединен с выходом источника опорного напр жени  через второй ключ, св занный своим управл ющим входом с выходом входного формировател , с входом логического инвертора и с первым входом магазина конденсаторов, выход которого соединен с выходом генератора пилообразного напр жени , первым входом компаратора и информационным входом третьего ключа, соединенного своим управл юпщм входом с выходом логического инвертора, в выход второго ключа подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход второго источника Опорного напр жени  св зан с вторым входом компаратора, соединенного своим выходом с вторым входом магазина конденсаторов, с дополнительньм входом пикового детектора и с первым входом импульсного генератора опорной частоты, второй вход которого подключен к выходу первой дифференцирующей цепи, вход второй дифференцирующей цепи соединен с выходом первого триггера, а ее выход св зан с входом сброса счетчика, соединенного своим тактовым входом с выходом первого ключа, при этом выход счетчика  вл етс  выходом устройства,
2. 2, Устройство по П.1, о т л и - чающеес  тем, что магазин конденсаторов содержит сдвиговый регистр

   428

   генератор логической единицы, блок задержки и управл емый блок конденсаторов , управл ющие входы которого ,со- единены с соответствующими выходами сдвигового регистра, вход сдвига которого  вл етс  вторым входом магазина конденсаторов, выходом которого  вл етс  выход управл емого блока

   конденсаторов, соединенного своим вторым выходом с шиной нулевого потенциала , выход генератора логической единицы соединен с последовательным входом сдвигового регистра, вход записи параллельного кода которого св зан с выходом блока задержки, вход которого соединен с разр дными входами сдвигового -регистра и  вл етс  первым входом магазина конденсаторов.
3. 3. Устройство non.J, отличающеес  тем, что импульсный генератор опорной частоты содержит генератор импульсов, коммутатор,hделителей частоты, счетчик импульсов, тактовый вход и вход сброса которого  вл ютс  соответственно первым и вторым входа- ми импульсного генератора опорной частоты, выходом которого  вл етс  выход коммутатора, соединенного своими управл ющими входами с соответствующими выходами счетчика импульсов , выход генератора соединен с первым из информационных входов коммутатора , остальные информационные

   входы которого соединены с выходами соответствующих делит ел ей (частоты, соединенных последовательно в цепь, в которой вход каждого последующего делител  частоты соединен с выходом

   предыдущего, а вход первого делител  частоты в цепи последователь но соединенных делителей -частоты соединен с выходом генератора импульсов.

   авх

   Ш2) , бых

   fi(iO) « Вых

   ит)

   а{з} вь/х

   aft/) дь/х

   )

   Выу

   f(6}

   Вы/

   f

   &ЫХ и (7)

   Вых /

   дых

   III

   Hi

   il

   L

   1 I LlllUllllllilllllllllllilill 1111 i I

   фиг.2

   MMUIlUl

   n

   П

   t t

   Й

   и

   il

   t

   -9k- t

   к

   ж

   t

   -

   t

   .J

   фие.З

   фиг. Ч

   ue.S