УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ
DEVICE FOR DIGITAL CONVERSION OF TIME INTERVAL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике измерения интервалов времени.
Уровень техники
Принцип цифрового преобразования интервала времени между сигналами «Старт» и «Стоп», отмечающими его начало и окончание, заключается в определении количества импульсов эталонного генератора, поступивших в пределах этого интервала в счетчик импульсов [1]. Общим недостатком подобных устройств является высокая погрешность преобразования, равная эталонному периоду.
Для повышения точности цифрового преобразования интервалов времени применяются интерполирующие устройства, создающие дополнительные точки отсчета времени внутри эталонного периода. Основу таких устройств составляет мультифазный кольцевой генератор импульсов, вырабатывающий на множестве своих выходов импульсы с эталонным периодом, смещенные на время задержки одного своего каскада [2]. Использование всей совокупности импульсов кольцевого генератора равносильно сокращению шага дискретизации времени до времени задержки каскада. В то же время в таких устройствах необходима стабилизация периода импульсов кольцевого генератора, что не всегда возможно.
Известен цифровой интерполирующий измеритель интервала времени [3], 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.
Тот же недостаток свойствен и описанному в [4] 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.
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 кольцевой генератор импульсов, множеством выходов подключенный к соответствующим цифровым входам первого и второго регистров, цифровые выходы которых через соответственно первый и второй шифраторы присоединены к первому и второму входам блока вычитания. Тактовый вход первого регистра связан с зажимом сигнала «Старт», тактовый вход второго регистра - с зажимом сигнала «Стоп» и первым входом триггера, выходом соединенного с тактовым входом третьего регистра и входом сброса счетчика импульсов, нагруженного на цифровой вход третьего регистра.
Недостатки устройства-прототипа связаны с нестабильностью периода кольцевого генератора импульсов, что ограничивает точность преобразования. Другой недостаток заключается в опасности промахов при «грубом» подсчете полных эталонных периодов в тех случаях, когда момент поступления сигнала «Старт» близок к моменту поступающего на счетчик импульсов импульса кольцевого генератора. Еще один недостаток устройства-прототипа состоит в том, что он не допускает осуществления на основе программируемой вентильной матрицы, не располагающей аналоговыми средствами 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 блок контроля периода кольцевого генератора, вход которого подключен к одному из выходов кольцевого генератора импульсов, а цифровой выход совместно с цифровыми выходами третьего регистра и блока вычитания - к соответствующим входам арифметического блока, вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и мультиплексор. Информационные входы мультиплексора соединены с соответствующими выходами кольцевого генератора импульсов, его адресный вход - с группой младших цифровых выходов первого шифратора, а выход - с одним входом нагруженного на счетный вход счетчика импульсов вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Оставшийся вход вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ присоединен к старшему выходу первого шифратора, второй вход триггера через элемент задержки подключен к зажиму сигнала «Старт».
Перечисленные дополнения позволяют обойтись без стабилизации периода кольцевого генератора импульсов. Вместо этого эталонный период непрерывно измеряется, а результат измерения используется для последующего вычисления значения преобразуемого интервала времени. Введение управляемого первым шифратором мультиплексора устраняет неопределенность в моменте начала работы счетчика импульсов.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для цифрового преобразования интервала времени. Линии связи, отмеченные косой чертой, представляют собой многоразрядные цифровые шины.
Осуществление изобретения
Устройство содержит кольцевой генератор 1 импульсов, мультиплексор 2, первый 3, второй 4 и третий 5 регистры, счетчик 6 импульсов, первый 7 и второй 8 шифраторы, блок 9 вычитания, триггер 10, вентиль 11 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, элемент 12 задержки, зажимы 13 и 14 сигналов соответственно «Старт» и «Стоп», блок 15 контроля периода кольцевого генератора импульсов и арифметический блок 16.
Блок 15 контроля периода кольцевого генератора импульсов в предпочтительном варианте осуществления может включать счетчик 17 импульсов, опорный генератор 18, регистр 19 и делитель 20 частоты, вход которого служит входом блока 15 контроля периода кольцевого генератора импульсов, а его цифровым выходом является выход регистра 19.
X
Преобразованию подлежит интервал Τ времени между сигналами «Старт» и «Стоп», поступающими на зажимы соответственно 13 и 14. Устройство работает в следующем порядке.
D
Кольцевой генератор 1 импульсов непрерывно вырабатывает на своих N выходах последовательности импульсов формы «меандр», смещенных друг относительно друга на время задержки его каскада t, период импульсов составляет
G
D
T=2Nt.
R
G
Импульсы с одного из выходов этого генератора поступают на вход блока 15 контроля периода кольцевого генератора импульсов, где их период делителем 20 частоты умножается в D раз (D - коэффициент деления частоты). В результате на входе сброса R счетчика 17 импульсов образуются импульсы с длительностью T=DT/2, равной паузе между ними. В течение этого времени счетчик 17 импульсов заполняется импульсами опорного генератора 18, достигая значения
R
O
G
O
M=T/T=DT/2T,
O
где Т - период импульсов опорного генератора 18, это значение фиксируется регистром 19. Таким образом выполняется непрерывный контроль периода колебаний кольцевого генератора 1 импульсов, который определяется выражением
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>G</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>M</mi><msub><mi>T</mi><mi>O</mi></msub></mrow><mi>D</mi></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Очевидно, что время задержки одного каскада кольцевого генератора 1 импульсов, которое определяет размер субкванта в устройстве, будет равно
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>D</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>M</mi><msub><mi>T</mi><mi>O</mi></msub></mrow><mrow><mi>N</mi><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>                 (1)</mtext></mrow>
2
В момент поступления сигнала «Старт» на зажим 13 текущее состояние множества выходов кольцевого генератора 1 импульсов в виде термометрического кода записывается в первый регистр 3, после чего преобразуется в двоичный код p первым шифратором 7. Зафиксированный в регистре 3 термометрический код состоит из N разрядов и имеет вид 00…01…11, либо 11…10…00 в зависимости от того, распространяется ли по кольцевому генератору 1 импульсов «волна» нулей или единиц. Поскольку общее число состояний выходов кольцевого генератора 1 импульсов составляет 2N, то шифратор 7 формирует число, состоящее из n разрядов, причем n=1+logN, где дополнительный разряд указывает на то, какая волна распространяется по генератору 1. Именно этот разряд с помощью вентиля 11 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ устанавливает, в прямом или инверсном виде будет передаваться выходной сигнал мультиплексора 2 на счетный вход счетчика 6 импульсов, расширяя тем самым шкалу отсчета момента поступления сигнала «Старт» внутри эталонного периода.
С задержкой элемента 12 задержки, достаточной для завершения переходных процессов переключения регистра 3, шифратора 7 и мультиплексора 2, сигнал «Старт» сбрасывает триггер 10, который разрешает работу счетчика 6 импульсов. На счетчик 6 импульсов начинают поступать импульсы с того выхода и в той фазе (прямой или инверсной) кольцевого генератора 1 импульсов, который указан выходным числом первого шифратора 7. Это устраняет неопределенность в фазе считаемых импульсов - первый из них появится почти через полный эталонный период после прихода сигнала «Старт». К моменту окончания преобразуемого интервала времени, когда на зажим 14 поступит сигнал «Стоп», состояние счетчика 6 импульсов достигнет значения
X
G
K=T/T.
D
В момент поступления сигнала «Стоп» на зажим 14 триггер 10 возвращается в исходное взведенное состояние, счет эталонных импульсов прекращается, а состояние счетчика 6 импульсов переписывается в третий регистр 5. Одновременно текущее состояние выходов кольцевого генератора 1 импульсов фиксируется вторым регистром 4 и преобразуется в двоичное число q вторым шифратором 8. Таким образом фиксируется позиция фронта сигнала «Стоп» внутри эталонного периода кольцевого генератора 1 импульсов. Образованные шифраторами 7 и 8 числа p и q равны количествам субквантов t, укладывающихся на интервалах от начала периода кольцевого генератора 1 импульсов до фронта соответствующего сигнала. Блок 9 вычитания вычисляет далее разность этих чисел (q-p), которая может быть как положительной, так и отрицательной.
x
D
Если количество фаз кольцевого генератора 1 импульсов выбрано кратным целой степени двойки (Ν=2), то цифровые выходы третьего регистра 5 и блока 9 вычитания в совокупности представляют собой соответственно старшие К и младшие (q-p) разряды двоичного числа [2KN+(q-р)], отражающего длительность преобразуемого интервала времени в единицах субквантов t:
D
В это выражение входит значение времени t задержки одного каскада кольцевого генератора 1 импульсов, которое определяется формулой (1).
x
Таким образом, на входах арифметического узла 16 после окончания преобразуемого интервала оказываются числа: Μ - с выхода блока 15 контроля периода кольцевого генератора импульсов; К - с выхода регистра 3; (q-р) - с выхода блока 9 вычитания. Арифметический блок 16 выполняет расчет интервала времени T по формуле, вытекающей из выражений (1), (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. Чутков В.А. Интерполирующие устройства синхронизации и преобразователи информации. - М: Физматлит, 2010, - 324 с. - с. 194, рис. 4.7.
3. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1981, с. 166, рис. 3.27.
4. Differential time interpolator. - Патент США №4433919, МПК G04F 8/00. Опубл. 28.02.1984.
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).