ИНТЕРПОЛИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ В ЦИФРОВОЙ КОД
INTERPOLATING CONVERTER OF TIME INTERVAL INTO DIGITAL CODE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике измерения интервалов времени, в частности к устройствам для преобразования длительности однократных импульсов в цифровой код.
Уровень техники
Для измерения однократных интервалов времени применяются преобразователи время-код (ПВК) на основе счетчика импульсов, который заполняется импульсами генератора эталонной частоты в течение времени между стартовым и стоповым импульсами [1]. Недостаток устройств подобного типа заключается в ограниченной точности, поскольку методическая погрешность равна периоду эталонных импульсов.
Известны также устройства, реализующие тем или иным способом интерполяцию эталонного периода и позволяющие за счет этого повысить точность преобразования интервала времени в цифровой код. Это, прежде всего, нониусные преобразователи и преобразователи, использующие метод фазовой интерполяции.
Типовым представителем преобразователей первого типа является устройство, описанное в литературе [2], включающее пару автогенераторов с близкими периодами колебаний, один из которых работает непрерывно, а второй, работающий в старт-стопном режиме, запускается в моменты начала и окончания преобразуемого интервала. После этого подсчитывается число периодов генераторов до совпадения их импульсов во времени. Такой преобразователь отличается высокой точностью, однако имеет значительное «мертвое» время, в течение которого невозможно производить новый цикл преобразования.
Тот же недостаток свойствен и другой разновидности нониусных преобразователей - описанному в [3] дифференциальному интерполятору времени, в котором осуществляется пространственная развертка нониусного процесса. Устройство включает пару секционированных линий задержки, по которым распространяются подлежащие измерению сигналы, и множество триггеров, подключенных разноименными входами к соответствующим промежуточным отводам соответствующих линий задержки. Выходы всех триггеров соединены с входами постоянного запоминающего устройства, выполняющего преобразование зафиксированного триггерами термометрического кода в двоичный код.
Работающие на принципе фазовой интерполяции преобразователи формируют дополнительные точки отсчета внутри эталонного периода с помощью мультифазного кольцевого генератора (МКГ). Эти точки образуют субшкалу отсчета, по которой фиксируются временные позиции начала и окончания интервала внутри эталонного периода.
Известен цифровой интерполирующий измеритель интервала времени [4], который содержит эталонный генератор импульсов, выход которого присоединен через вентиль И к входу счетчика импульсов, при этом оставшийся вход вентиля И подключен к выходу триггера, входы которого служат входами сигналов пуска и останова устройства. Кроме того, имеется подключенная к выходу эталонного генератора последовательная цепь множества элементов задержки, выход каждого из которых соединен с входом сброса соответствующего дополнительного триггера, число которых равно числу элементов задержки. Выходы всех дополнительных триггеров присоединены к входам шифратора. Процесс измерения начинается после сброса счетчика импульсов и триггеров импульсом пуска, а завершается импульсом останова. Старшие разряды результата измерения образуются на выходах счетчика импульсов и отображают целое число эталонных периодов, укладывающихся в измеряемый интервал, а младшие разряды результата образуются на выходах шифратора и отображают дробную часть эталонного периода - остаток от деления интервала на эталонный период в единицах времени задержки элемента задержки. Недостаток данного аналога заключается в низкой точности измерения интервала времени, связанной с рассогласованием совокупной задержки всех элементов задержки и периода эталонного генератора.
Известен также цифровой преобразователь интервала времени на основе кольцевого генератора импульсов, множеством своих выходов присоединенного к входам измерительного модуля [5]. В данном устройстве не возникает проблемы рассогласования, поскольку сам кольцевой генератор и образован интерполирующими элементами задержки. Однако в этом аналоге приходится решать проблему стабилизации периода колебаний кольцевого генератора, выступающего в роли эталонного периода, что существенно усложняет устройство.
Среди известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для измерения интервала времени по патенту РФ №2260830 [6]. Устройство-прототип содержит многофазный кольцевой генератор импульсов, один из выходов которого присоединен к первому входу счетчика импульсов, первый и второй регистры с объединенными информационными входами, выходами связанные через соответственно первый и второй шифраторы с соответствующими входами блока вычитания. Имеется также триггер, один вход которого соединен с зажимом сигнала «Старт», а второй - с зажимом сигнала «Стоп» и тактовым входом третьего регистра, у которого информационные входы подключены к выходам счетчика импульсов, вторым входом присоединенного к выходу триггера.
Недостатки устройства-прототипа связаны с нестабильностью периода кольцевого генератора импульсов и различием задержек переключения первого и второго регистров, что ограничивает его точность. Кроме того, структура устройства-прототипа не допускает его построения на основе универсальной программируемой вентильной матрицы, в которой нет средств стабилизации периода кольцевого генератора импульсов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение точности цифрового преобразования однократных интервалов времени и упрощение структуры устройства, обеспечивающее его реализацию на основе программируемой вентильной матрицы.
Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения в него дополнительно введены арифметический блок, четвертый регистр, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами кольцевого генератора импульсов, а выходы - с соответствующими объединенными информационными входами первого и второго регистров, вентиль ИЛИ, посредством которого тактовый вход четвертого регистра связан с зажимами сигналов «Старт» и «Стоп», и блок контроля периода кольцевого генератора импульсов. Вход блока контроля периода кольцевого генератора импульсов объединен с первым входом счетчика импульсов, при этом тактовые входы первого и второго регистров подключены к зажимам сигналов соответственно «Старт» и «Стоп» через соответствующие первый и второй элементы задержки. Выходы блока вычитания, третьего регистра и блока контроля периода кольцевого генератора импульсов присоединены к соответствующим цифровым входам арифметического блока.
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. Введение четвертого регистра, триггерные разряды которого в условиях программируемой вентильной матрицы размещаются в тех же ячейках, что и каскады кольцевого генератора импульсов, повышает точность фиксации состояния кольцевого генератора импульсов в моменты поступления сигналов «Старт» и «Стоп».
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема интерполирующего преобразователя интервала времени в цифровой код. Линии связи, отмеченные косой чертой, представляют собой многоразрядные цифровые шины.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов в характерных узлах схемы, показанной на фиг. 1.
Осуществление изобретения
Устройство содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 регистры, кольцевой генератор 5 импульсов, счетчик 6 импульсов, первый 7 и второй 8 шифраторы, блок 9 вычитания, триггер 10, вентиль 11 ИЛИ, элементы 12 и 13 задержки, зажимы 14 и 15 сигналов соответственно «Старт» и «Стоп», блок 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов и арифметический блок 17.
Блок 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов в предпочтительном варианте осуществления может включать счетчик 18 импульсов, опорный генератор 19, регистр 20 и делитель 21 частоты. При этом вход делителя 21 частоты служит входом блока 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов, а его выходами являются выходы регистра 20.
X
Преобразованию подлежит интервал T времени между не перекрывающимися во времени сигналами «Старт» и «Стоп», поступающими на зажимы соответственно 14 и 15. Устройство работает следующим образом.
D
Кольцевой генератор 5 импульсов непрерывно вырабатывает на своих N выходах последовательности импульсов формы «меандр» (фиг. 2 - диаграмма 5), смещенных друг относительно друга на время задержки его каскада t, период импульсов составляет
R
G
Импульсы с одного из выходов этого генератора поступают на вход блока 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов, где их период делителем 21 частоты умножится в D раз (D - модуль делителя 21 частоты). В результате на входе сброса R счетчика 18 импульсов образуются импульсы с длительностью T=DT/2, равной паузе между ними. В течение этого времени счетчик 18 импульсов заполняется импульсами опорного генератора 19, достигая значения
o
где T - период импульсов опорного генератора 19. Таким образом выполняется непрерывный контроль периода колебаний кольцевого генератора 5 импульсов, который определяется выражением
Очевидно, что время задержки одного каскада кольцевого генератора 5 импульсов, которое определяет размер субкванта в устройстве, будет равно
D
1
2
2
1
По фронтам сигналов «Старт» и «Стоп» (фиг. 2 - диаграммы 14, 15) текущие состояния множества выходов кольцевого генератора 5 импульсов в виде термометрических кодов записываются в регистр 4, после чего с задержкой элементов 12 и, соответственно, 13 переписываются из регистра 4 в регистры соответственно 1 и 2. Шифраторы 7 и 8 преобразуют термометрические коды регистров 1 и 2 в двоичные числа, отражающие позиции фронтов сигналов «Старт» и «Стоп» внутри периода кольцевого генератора 5 импульсов. Эти числа равны количествам субквантов t, укладывающихся на интервале от начала периода генератора 5 до фронта соответствующего сигнала. За начало периода генератора 5 принимается фронт импульса на его первом выходе. Если обозначить зафиксированные таким образом позиции сигналов «Старт» и «Стоп» через n и n, то установленный за шифраторами 7, 8 блок 9 вычитания образует их разность (n - n), которая может быть как положительной, так и отрицательной.
Одновременно осуществляется подсчет числа импульсов кольцевого генератора 5 импульсов, которые успевают выработаться за время между сигналами «Старт» и «Стоп». Подсчет производится счетчиком 6 импульсов, работа которого разрешается сигналом триггера 10 (фиг. 2 - диаграмма 10), продолжительность которого равна преобразуемому интервалу времени. Результат подсчета (фиг. 2 - диаграмма 6), фиксируемый в регистре 3 в момент поступления сигнала «Стоп», составляет
G
X
Число K либо равно, либо на единицу больше полного числа периодов T, укладывающихся на преобразуемом интервале T.
2
1
X
Таким образом, на входах арифметического узла 17 после окончания преобразуемого интервала оказываются числа: М - с выхода блока 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов; K - с выхода регистра 3; (n-n) - с выхода блока 9 вычитания. Арифметический блок 17 выполняет далее расчет интервала времени T по формуле, отражающей разность моментов поступления сигналов «Стоп» и «Старт» (фиг. 2):
Литература
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т.Т. 2. Пер. с англ. - Изд. 3-е, стереотип.- М.: Мир, 1986. - 590 с.- с. 372, рис. 14.29.
2. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП / ЦАП. - М.: Техносфера, 2006. - 392 с. - с. 25, рис. 2.4.
3. Differential time interpolator. - Патент США №4433919, МПК G04F 8/00. Опубл. 28.02.1984.
4. Шляпдин В.М. Цифровые измерительные устройства: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1981, с. 166, рис. 3.27.
5. Gated ring oscillator for a time-to-digital converter with shaped quantization noise. -Патент США №8138843, МПК H03K 3/03, G01R 23/175, G04F 10/04. Опубл. 20.03.2012.
6. Устройство для измерения интервала времени. - Патент РФ №2260830, МПК G04F 10/04. Опубл. 20.09.2005 (прототип).