УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ И ПЕРИОДА
DEVICE FOR FREQUENCY AND PERIOD MEASUREMENT VERIFICATION

Предлагаемая группа изобретений относится к области метрологии и вычислительной техники и может быть использована для поверки измерителей частоты и периода.
Известна схема поверки частотомеров [1], которая содержит прецизионный генератор низкочастотных сигналов (например, Г3-110), поверяемый частотомер и прецизионный частотомер для контроля поверочных частот.
Недостатками аналога являются узкие функциональные возможности - он предназначен для поверки частотомеров, работающих только в статическом режиме, и не позволяет производить поверку измерителей частоты и периода, работающих в динамическом режиме, например регистраторов мгновенных значений частоты.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для поверки статистических анализаторов колебаний частоты и фазы напряжения [2], содержащее прецизионный генератор синусоидальных колебаний, нуль-орган, три одновибратора, элемент И, триггер, двоичный счетчик, постоянное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь, источник опорного напряжения, четыре резистора, два суммирующих операционных усилителя, два коммутатора, переключатель, кнопку.
Недостатком прототипа является невысокая точность, обусловленная наличием в схеме устройства операционных усилителей, а также узкие функциональные возможности - он позволяет имитировать только тот тест поверки, который заложен в прототип при его изготовлении.
Технические задачи, решаемые изобретениями - повышение точности устройства и расширение его функциональных возможностей.
Указанные технические задачи (в первом варианте реализации устройства) решаются благодаря тому, что в устройство для поверки статистических анализаторов колебаний частоты и фазы напряжения, содержащее счетчик, первый и второй коммутаторы, первый переключатель, кнопку, первый и второй одновибраторы, первый элемент И, первый-четвертый резисторы, триггер, входы установки единицы и нуля которого подключены соответственно через первый и второй резисторы к шине единичного потенциала устройства, а также соединены через нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты кнопки с шиной нулевого потенциала устройства, выходы первого и второго коммутаторов объединены, а управляющие входы соединены через контакты первого переключателя с шиной нулевого потенциала устройства и через третий и четвертый резисторы подключены к шине единичного потенциала устройства, дополнительно введены таймер, второй и третий переключатели, шифратор из унитарного кода в двоичный, задатчик кода частоты, индикатор, второй элемент И, элемент ИЛИ, пятый и шестой резисторы, персональный компьютер, микроконтроллер, приемопередатчик, генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с объединенными тактовыми входами таймера и микроконтроллера, выход второго порта которого соединен с выходной клеммой устройства, а также через первый элемент И соединен с первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с инверсным входом первого одновибратора, выход которого соединен с информационным входом первого коммутатора, выход триггера соединен с информационным входом второго коммутатора, объединенные выходы первого и второго коммутаторов соединены с объединенными инверсным входом второго одновибратора и тактовым входом счетчика, выход которого соединен с объединенными информационным входом индикатора и группой младших разрядов адресного входа задатчика кода частоты, группа старших разрядов которого подключена к выходу шифратора из унитарного кода в двоичный, входы которого через контакты третьего переключателя соединены с шиной нулевого потенциала устройства, информационный выход задатчика кода частоты соединен со входом первого порта микроконтроллера, выход третьего порта которого соединен со входом приемопередатчика, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персонального компьютера, выход переполнения таймера через второй элемент И соединен со вторым входом элемента ИЛИ, вторые входы первого и второго элементов И соединены через контакты второго переключателя с шиной нулевого потенциала устройства и через пятый и шестой резисторы подключены к шине единичного потенциала устройства, выход второго одновибратора соединен со входом вектора прерываний микроконтроллера.
Указанные технические задачи (во втором варианте реализации устройства) решаются благодаря тому, что в устройство для поверки статистических анализаторов колебаний частоты и фазы напряжения, содержащее первый переключатель, дополнительно введены второй и третий переключатели, первый и второй шифраторы из унитарного кода в двоичный, персональный компьютер, микроконтроллер, приемопередатчик, генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с тактовым входом микроконтроллера, вход пятого порта которого через контакты первого переключателя соединен с шиной нулевого потенциала устройства, выход четвертого порта микроконтроллера соединен с выходной клеммой устройства, а также со входом вектора прерываний микроконтроллера, выход третьего порта которого соединен со входом приемопередатчика, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персонального компьютера, шина нулевого потенциала устройства через контакты второго переключателя соединена со входами первого шифратора из унитарного кода в двоичный, выход которого соединен со входом первого порта микроконтроллера, шина нулевого потенциала устройства через контакты третьего переключателя соединена со входами второго шифратора из унитарного кода в двоичный, выход которого соединен со входом второго порта микроконтроллера.
Существенными отличиями предлагаемого устройства в различных вариантах его реализации являются введение дополнительных элементов:
1) таймера, второго и третьего переключателей, задатчика кода частоты, шифратора из унитарного кода в двоичный, индикатора, второго элемента И, генератора прямоугольных импульсов, элемента ИЛИ, пятого и шестого резисторов, персонального компьютера, микроконтроллера, приемопередатчика;
2) второго и третьего переключателей, первого и второго шифраторов из унитарного кода в двоичный, персонального компьютера, микроконтроллера, приемопередатчика, генератора прямоугольных импульсов.
К существенным отличиям предлагаемого устройства также относится организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение точности устройства и расширение его функциональных возможностей.
Схемы различных вариантов реализации устройства представлены соответственно на фиг.1 - первого варианта, а на фиг.2 - второго варианта, на фиг.3 приведена блок-схема программы, управляющей микроконтроллером во втором варианте реализации устройства.
Схема первого варианта реализации устройства для поверки измерителей частоты и периода содержит генератор 1 прямоугольных импульсов (ГПИ), счетчик 2, задатчик 3 кода частоты (ЗКЧ), индикатор 4, шифратор 5 из унитарного кода в двоичный, микроконтроллер (МК) 6, приемопередатчик 7, персональный компьютер (ПК) 8, таймер 9, триггер 10, первый 11 и второй 12 коммутаторы, первый-третий переключатели 13-15, кнопку 16, первый 17 и второй 18 элементы И, элемент ИЛИ 19, первый 20 и второй 21 одновибраторы, первый-шестой резисторы 22-27, выходную клемму 28. Выход генератора 1 прямоугольных импульсов соединен с объединенными тактовыми входами таймера 9 и микроконтроллера 6, выход третьего порта которого соединен со входом приемопередатчика 7, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персонального компьютера 8, входы установки единицы и нуля триггера 10 подключены соответственно через первый 22 и второй 23 резисторы к шине единичного потенциала устройства, а также соединены через нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты кнопки 16 с шиной нулевого потенциала устройства, выход триггера 10 соединен с информационным входом второго коммутатора 12, выход которого объединен с выходом первого коммутатора 11 и соединен с объединенными инверсным входом второго одновибратора 21 и тактовым входом счетчика 2, выход которого соединен с объединенными информационным входом индикатора 4 и группой младших разрядов адресного входа задатчика 3 кода частоты, информационный выход которого соединен со входом первого порта микроконтроллера 6, выход второго порта которого соединен с выходной клеммой 28 устройства, а также через первый элемент И 17 соединен с первым входом элемента ИЛИ 19, выход которого соединен с инверсным входом первого одновибратора 20, выход которого соединен с информационным входом первого коммутатора 11, управляющие входы первого 11 и второго 12 коммутаторов соединены через контакты первого переключателя 13 с шиной нулевого потенциала устройства и через третий 24 и четвертый 25 резисторы подключены к шине единичного потенциала устройства, выход переполнения таймера 9 через второй элемент И 18 соединен со вторым входом элемента ИЛИ 19, вторые входы первого 17 и второго 18 элементов И соединены через контакты второго переключателя 14 с шиной нулевого потенциала устройства и через пятый 26 и шестой 27 резисторы подключены к шине единичного потенциала устройства, выход второго одновибратора 21 соединен со входом вектора прерываний микроконтроллера 6, шина нулевого потенциала устройства через контакты третьего переключателя 15 соединена со входами шифратора 5 из унитарного кода в двоичный, выход которого соединен с группой старших разрядов адресного входа задатчика 3 кода частоты.
Схема второго варианта реализации устройства для поверки измерителей частоты и периода содержит генератор 29 прямоугольных импульсов, первый-третий переключатели 30-32, первый 33 и второй 34 шифраторы из унитарного кода в двоичный, микроконтроллер (МК) 35, приемопередатчик 36, персональный компьютер (ПК) 37, выходную клемму 38. Выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера 35, вход пятого порта которого через контакты первого переключателя 30 соединен с шиной нулевого потенциала устройства, выход четвертого порта микроконтроллера 35 соединен с выходной клеммой 38 устройства, а также со входом вектора прерываний микроконтроллера 35, выход третьего порта которого соединен со входом приемопередатчика 36, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персонального компьютера 37, шина нулевого потенциала устройства через контакты второго переключателя 31 соединена со входами первого шифратора 33 из унитарного кода в двоичный, выход которого соединен со входом первого порта микроконтроллера 35, шина нулевого потенциала устройства через контакты третьего переключателя 32 соединена со входами второго шифратора 34 из унитарного кода в двоичный, выход которого соединен со входом второго порта микроконтроллера 35.
ГПИ выполняется кварцевым, его частота составляет несколько МГц.
Рассмотрим работу первого варианта реализации устройства (фиг.1) в четырех вариантах применения.
А. Вариант применения первого варианта реализации устройства для генерации прямоугольных колебаний постоянной частоты.
В этом варианте в ЗКЧ 3 по адресам 001XXX размещаются одинаковые коды, например «1000»; по адресам 010ХХХ - другие одинаковые коды, например «2000» и т.д.
Первое положение третьего переключателя 15 с помощью шифратора 5 формирует группу старших разрядов на адресном входе ЗКЧ 3 в виде кода 001.
Первый переключатель 13 находится в левом положении, второй 14 - в правом.
При работе устройства код частоты в каждом такте заносится в регистр предустановки встроенного в МК 6 таймера с помощью одновибратора 21, выходной импульс которого воздействует на вход вектора прерываний МК 6.
По вектору прерываний программными средствами МК 6 осуществляется загрузка кода частоты «1000» с выхода ЗКЧ 3 через первый порт МК 6 в регистр предустановки встроенного в МК 6 таймера.
Через полпериода генерируемой на выходе устройства частоты встроенный в МК 6 таймер переполняется, что приводит к переключению содержимого регистра второго порта МК 6 - сигнал на выходной клемме 28 устройства изменяется на противоположный (из «1» в «0» или наоборот).
При каждом переходе из «1» в «0» на выходе второго порта МК 6 (т.е. через период генерируемой на выходе устройства частоты) запускается одновибратор 20, выходной импульс которого, после прохождения через коммутатор 11, поступает на входы счетчика 2 и одновибратора 21.
В результате код на выходе счетчика 2 становится равным 010 (однако и по этому адресу в ЗКЧ 3 находится тот же код частоты «1000»). По очередному срабатыванию вектора прерываний в регистр предустановки встроенного в МК 6 таймера осуществляется загрузка того же кода частоты «1000» с выхода ЗКЧ 3. Поэтому на выходной клемме 28 устройства непрерывно генерируются прямоугольные колебания постоянной частоты.
При переводе третьего переключателя 15 во второе положение с выхода ЗКЧ 3 в регистр предустановки встроенного в МК 6 таймера осуществляется загрузка кода частоты «2000» - на выходной клемме 28 устройства появляется постоянная в 2 раза более низкая частота и т.д.
Поверка предлагаемого устройства в этом варианте применения выполняется путем подключения к выходной клемме 28 прецизионного частотомера (например, 43-38) для измерения погрешности всех частот, генерируемых устройством.
Б. Вариант применения первого варианта реализации устройства для генерации прямоугольных колебаний с постоянной девиацией частоты.
В этом варианте в ЗКЧ 3 по четным адресам 001XXX размещаются одинаковые коды, например «1000», а по нечетным адресам 001XXX - другие одинаковые коды, например «1010».
При указанных кодах частоты устройством будут генерироваться прямоугольные колебания с постоянной 1-процентной девиацией частоты: в одном периоде генерируется частота с периодом, соответствующим коду «1000», в следующем периоде генерируется частота, пропорциональная коду «1010», и т.д. поочередно.
Путем переключения переключателя 15 можно генерировать на выходе устройства прямоугольные колебания: 1) различной частоты с одинаковой девиацией; 2) одной частоты с различной девиацией; 3) различной частоты с различной девиацией.
Поверка предлагаемого устройства в этом варианте применения выполняется путем подключения к выходной клемме 28 прецизионного частотомера и перевода переключателя 13 в правое положение.
В этом случае управление счетчиком 2 и одновибратором 21 возможно только в неавтоматическом режиме от кнопки 16.
Пока кнопка 16 не нажимается, на выходе устройства непрерывно генерируется одна из частот, например, соответствующая коду «1000». Эта частота и поверяется с помощью прецизионного частотомера.
Затем кнопку 16 нажимают и отпускают, переключая счетчик 2 в следующее состояние и запуская одновибратор 21. При этом устройство работает в режим непрерывной генерации частоты, соответствующей коду «1010». Эта частота также поверяется с помощью прецизионного частотомера.
В. Вариант применения первого варианта реализации устройства для генерации прямоугольных колебаний с модуляцией частоты пилообразной формы.
В этом варианте в ЗКЧ 3 последовательно размещаются, например, следующие различные коды:
Таблица
Содержимое ячеек ЗКЧ 3
Адреса ячеек ЗКЧ 3
Содержимое ячеек ЗКЧ 3 (код частоты)
001001
«1000001»
001010
«1000010»
001011
«1000011»
001100
«1000100»
001101
«1000101»
001110
«1000110»
001111
«1000111»
При запуске устройства на выходной клемме 28 генерируются прямоугольные колебания напряжения с частотной модуляцией пилообразной формы.
Поверка устройства в этом режиме осуществляется так же, как и в режиме Б.
Г. Вариант применения первого варианта реализации устройства для генерации прямоугольных колебаний со случайной модуляцией частоты.
В этом варианте в ЗКЧ 3 последовательно размещают случайные двоичные числа из таблиц соответствующих стандартов, например, [3], или в качестве ЗКЧ 3 используют датчики случайных двоичных чисел, например, [4].
Поверка устройства в этом режиме осуществляется так же, как и в режиме Б.
В рассмотренных выше вариантах применения устройства Б-Г новые значения частоты появляются в каждом следующем периоде генерируемой частоты.
В том случае, если удобно применение устройства в замедленном режиме, при котором генерация новых значений частоты происходит через несколько периодов генерируемой частоты, то необходимо перевести переключатель 14 в левое положение. В этом случае длительность генерации каждого значения частоты, заложенного в ЗКЧ 3, будет задаваться таймером 9.
В частности, таким образом может осуществляться автоматическая поверка частотомеров. В этом случае длительность задержки таймера 9 может задаваться равной, например, 1 минуте, а в ЗКЧ 3 закладываются поверочные частоты. К выходу устройства подключают поверяемый частотомер. После запуска устройства остается только заполнить протокол поверки.
Второй вариант реализации устройства (фиг.2) может работать в четырех описанных выше вариантах применения А-Г.
Отличие заключается в том, что во втором варианте реализации устройства коды частоты размещаются в ячейках встроенных в МК 35 постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), в качестве которых могут использоваться энергонезависимая память данных типа EEPROM или FLASH-память программ [5].
В варианте А применения второго варианте реализации устройства для генерации прямоугольных колебаний постоянной частоты в ячейки встроенного в МК 35 ПЗУ по адресам 001XXX размещаются одинаковые коды, например «1000»; по адресам 010ХХХ - другие одинаковые коды, например «2000» и т.д., которые задают генерируемые устройством частоты.
Первое положение второго переключателя 31 с помощью шифратора 33 формирует на входе первого порта микроконтроллера кода 001.
Первый переключатель 30 находится в левом положении.
При запуске устройства в МК 35 выполняется программа, блок-схема которой приведена на фиг.3.
При очередном переключении выхода четвертого порта МК 35 (например, по переднему фронту выходных импульсов устройства на выходной клемме 38) осуществляется прерывание выполнения программой бесконечного цикла - передается управление на верхний блок (фиг.3.)
Во втором блоке блок-схемы выполняется анализ состояния первого переключателя 30 - в данном случае на входе пятого порта присутствует единичное напряжение (за счет подтягивающего встроенного в МК 35 резистора, который подключен к источнику питания).
В этом случае происходит разветвление программы, и она выполняется по правой ветви блок-схемы.
В следующем блоке выполняется выбор адреса ячейки ПЗУ, в частности, первый адрес равен 001001 (старшая часть адреса 001 задается переключателем 31 и шифратором 33, а младшая часть адреса равна j=001).
В следующем блоке выполняется подготовка значения j=j+1 для следующего цикла и соответственно для следующего периода генерируемой устройством выходной частоты.
В следующем блоке код частоты, хранящейся в ячейке ПЗУ МК 35 с адресом 001001, заносится в регистр предустановки встроенного в МК 35 таймера.
Далее программа МК 35 переходит на выполнение бесконечного цикла, а встроенный в МК 35 таймер заполняется импульсами тактовой частоты.
Через полпериода генерируемой на выходе устройства частоты встроенный в МК 35 таймер переполняется, что приводит к переключению содержимого регистра четвертого порта МК 35 - сигнал на выходной клемме 38 устройства изменяется на противоположный (из «1» в «0» или наоборот).
При каждом следующем прерывании во встроенный в МК 35 таймер заносятся одинаковые коды частоты. Поэтому на выходной клемме 38 устройства непрерывно генерируются прямоугольные колебания постоянной частоты.
При переводе третьего переключателя 32 во второе положение из ПЗУ в регистр предустановки встроенного в МК 35 таймера осуществляется загрузка кода частоты «2000» - на выходной клемме 38 устройства появляется постоянная в 2 раза более низкая частота и т.д.
Поверка предлагаемого устройства в этом варианте реализации устройства осуществляется так же, как и в первом варианте.
В варианте Б применения второго варианта реализации устройства для генерации прямоугольных колебаний с постоянной девиацией частоты в ячейках ПЗУ по четным адресам 001XXX размещаются одинаковые коды, например «1000», а по нечетным адресам 001XXX - другие одинаковые коды, например «1010».
В остальном работа устройства в этом варианте реализации осуществляется так же, как и в первом варианте.
Поверка предлагаемого устройства в этом варианте применения выполняется путем подключения к выходной клемме 38 прецизионного частотомера и перевода переключателя 30 в правое положение, при котором на входе пятого порта МК 35 появляется нулевое напряжение.
В этом случае программа выполняется по левой ветви блок-схемы. Младшая часть адреса ячейки ПЗУ при поверке задается переключателем 32 и шифратором 34. Постоянная частота на выходной клемме 38 поверяется с помощью прецизионного частотомера.
В режиме В генерации прямоугольных колебаний с модуляцией частоты пилообразной формы работа устройства во втором варианте реализации осуществляется так же, как и в первом варианте.
Отличие заключается в подготовке устройства, при которой в ячейки ПЗУ размещают содержимое таблицы.
В режиме Г генерации прямоугольных колебаний со случайной модуляцией частоты работа устройства во втором варианте реализации осуществляется так же, как и в первом варианте.
Отличие заключается в подготовке устройства, при которой в ячейки ПЗУ размещают случайные двоичные числа из таблиц [3] или реализуют датчики случайных двоичных чисел программными средствами, например, по [6].
Преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с известными являются повышение точности устройства и расширение его функциональных возможностей, а также возможность реализации на современной микроэлектронной базе - например, AVR-микроконтроллерах.
Источники информации
1. ГОСТ 8.422-81. ГСОЕИ. Частотомеры. Методы и средства поверки.
2. Патент 2028725 РФ. МПК Н03К 12/00. Устройство для поверки статистических анализаторов колебаний частоты и фазы напряжения. / В.Ф. Ермаков. - 1995, Бюл. №4 (прототип).
3. ГОСТ 11.003-73. Прикладная статистика. Равномерно распределенные случайные числа.
4. Патент 2203503 РФ, МПК G03F 7/58. Датчик случайных двоичных чисел с многокаскадным выравниванием. / В.Ф.Ермаков, В.А.Гудзовская И.В.Мурадова. - 2003, Бюл. №12.
5. Мортон Дж. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс. / Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Додэка-ХХI", 2006. - 272 с.
6. Ермаков В.Ф., Гудзовская В.А. Метод моделирования случайных равномерно распределенных двоичных чисел // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 1994. - №3-4. - С.15-18.