Рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь
RECIRCULATION-VERNIER TIME-DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения время-цифровых преобразователей моноимпульсных временных интервалов (ВИ), заданных старт- и стоп-импульсами в системах импульсной радиолокации и радионавигации, а также комплексах ГЛОНАСС и GPS, медицинских радарах и лидарах, с нано- и субнаносекундной дискретностью преобразования.
Известен рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь по патенту РФ №2598975 содержащий два рециркулятора, один из которых служит для рециркуляции старт-импульса (рециркулятор старт-импульса), а второй - стоп-импульса (рециркулятор стоп-импульса), преобразуемого временного интервала (ВИ). Периоды их рециркуляции отличаются друг от друга на величину равную m×τ, где τ - дискретность преобразования и должны быть больше чем длительность преобразуемого временного интервала (ВИ).
Недостатком данного преобразователя является большое время преобразования.
Известен также (прототип) рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь по патенту РФ №2707380, содержащий также рециркуляторы старт и стоп-импульсов, один из которых служит для рециркуляции старт-импульса, а второй - стоп-импульса преобразуемого (ВИ). При этом периоды их рециркуляций отличаются друг от друга на величину равную 2m×τ и также должны быть больше длительности преобразуемого ВИ.
Каждый из рециркуляторов прототипа содержит схему ИЛИ, первый вход который соединен с входной шиной преобразователя, выход - с первым входом схемы И, выход который через линию задержки подключен ко второму входу схемы ИЛИ, а вторые входы схемы И обоих рециркуляторов объединены и соединены с выходом блока управления их работой.
Недостатком данного преобразователя-прототипа является также большое время преобразования.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение времени преобразования известного из патента РФ №2707380 рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь.
Поставленная цель достигается тем, что в рециркуляторе старт-импульса, исходная длительность старт-импульс остается неизменной, а в каждой из рециркуляций он подвергается последовательной временной задержки на калиброванное значение дискретности преобразования τ, до момента времени его совпадения со стоп-импульсом, рециркулирующем в рециркуляторе стоп-импульса, также без изменения своей исходной длительности.
При этом периоды рециркуляции старт- и стоп-импульсов должны отличаться между собой на величину равную 2m×τ, где m - количество последовательных временных задержек.
На фигуре приводится функциональная схема рециркуляционно-нониусного время-цифровой преобразователь.
Преобразователь содержит рециркулятор стоп-импульса, выполненный на элементе ИЛИ1, первый вход которого соединен с шиной «Стоп-импульс» 2 преобразователя, второй вход - с выходом линии задержки 3 стоп -импульса, а выход - с первым входом элемента И 4, выход которого подключен к входу линии задержки 3 стоп-импульса и к счетному входу счетчика импульсов 5, управляющий вход которого соединен с шиной «Начальная установка», а также рециркулятор старт-импульса содержащий элемент ИЛИ 6, первый вход которого подключен к с шине «Старт-импульс» 7 преобразователя, второй вход - к выходу линии задержки 8 старт-импульса, вход которой соединен с выходом элемента И 9, причем выход элемента ИЛИ 6 подключен ко входу m-отводной линии задержки 10, m - отводов которой подключены к D-входам соответствующих из m D-триггеров 11.1-11.m, С-входы которых объединены между собой и подключены к С-входу дополнительного D-триггера 12, а также объединены и их R-входы, причем D-вход дополнительного D-триггера 12 соединен c m-ым отводом m-отводной линии задержки 10, R-вход с шиной «Начальная установка», а его инверсный выход подключен ко второму входу элемента И 4 стоп-рециркулятора и ко второму входу элемента И 9 старт-рециркулятора, вместе с тем содержит и RS-триггер 13, S-вход которого подключен к шине «Старт-импульс»7, R-вход - к шине «Стоп-импульс» 2, а выход - к управляющему входу дополнительного счетчика импульсов 14, счетный вход которого соединен с выходом линии задержки 8 старт-импульса рециркулятора старт-импульса, при этом объединенные С-входы D-триггеров 11.1-11.m подключены к входу линии задержки 3 стоп-импульса рециркулятора стоп-импульса, а их объединенные R-входы - к шине «Начальная установка» и к входу установки в исходное состояние дополнительного счетчика импульсов 14.
8
3
Предлагаемый рециркуляционно-нониусный время-цифровой преобразователь содержит два рециркулятора, в которых линии задержки старт- и стоп-импульсов имеют времена задержки соответственно tлз (линия задержки 8 старт-импульса) и tлз (линии задержки 3 стоп-импульса).
8
3
При этом tлз-tлз=m⋅×τ, где m - число отводов m-отводной линии задержки 10 в старт-рециркуляторе, а τ - дискретность преобразования.
То есть, рециркуляторы старт- и стоп-импульсов имеют периоды рециркуляции равные, соответственно,
8
3
8
Тст=tлз+m×τ и Тсп=tлз=tлз-m⋅×τ,
8
3
а их разность Тст-Тсп=tлз+m×τ-tлз=2m×τ.
Рассмотрим работу предлагаемого преобразователя.
Перед началом преобразования сигналом управления, подаваемого на шину «Начальная установка» преобразователя, D-триггер 12 открывает рециркуляторы старт- и стоп-импульсов, а так же осуществляет установку счетчика импульсов 5, дополнительного счетчика импульсов 14 и регистра памяти, на D-триггерах 11.1÷11.m, в состояние логический ноль, то есть в исходное состояние.
1
2
1
6
9
2
1
4
Старт- и стоп-импульсы, соответствующие началу и концу преобразуемого ВИ, длительностью tx подаются на шины «Старт-импульса»7 и «Стоп-импульса» 2 и должны иметь калиброванные значения длительности соответственно, tст>(tp+τ) и tсп>(tp+τ), где tp=tр+tp, tp=(t+t) - суммарное время задержки переключения логических элементов, соответственно, рециркулятора старт-импульса (элемент ИЛИ6, элемент И9) и рециркулятора стоп-импульса (элемент ИЛИ1, элемент И4), а τ - время задержки между отводами m-отводной линии задержки 10, выбирается равной необходимой по техническому заданию дискретности преобразования.
RS-триггер 13, посредством старт- и стоп-импульсов формирует импульс tx, длительность которого равна длительности преобразуемого ВИ.
0
0
0
0
Старт-импульс длительностью tст подают в рециркулятор старт-импульса, в котором на m-ом выходе его m-отводной линии задержки 10 вырабатывается импульсная последовательность ƒст(t)=ƒ(tcт+n×Тст), где n - число рециркуляций, зафиксированное в счетчике импульсов 14, при этом область изменения n∈[1÷N])
8
8
В тоже время, его период следования Тст=tлз+mτ, где tлз - время задержки линии задержки 8 рециркулятора старт-импульса.
min
max
min
max
max
Для обеспечения условия работоспособности преобразователя в диапазоне tx∈[tx; tx] (где tx и tx соответственно, наименьшее и наибольшее значения длительности преобразуемого ВИ), необходимо строгое выполнение неравенства Тст<tx.
Одновременно на m отводах m-отводной линии задержки 10 старт-рециркулятора вырабатываются импульсные последовательности ƒстi(t)=ƒст(t)+i×τ, в них порядковый номер отводов i=2, 3, …, m, а τ - дискретность задержки между ними.
0
С приходом стоп-импульса tсп, процесс рециркуляции в рециркуляторе старт-импульса останавливается, благодаря срабатыванию RS-триггер 13, при этом число рециркуляции n, зафиксированное в дополнительном счетчике импульсов 14, представляет собой цифровой результат преобразования «грубо».
В m-входовом регистре памяти на D-триггерах 11.1-11.m фиксируются совпадения импульсных последовательностей ƒстi(t) с рециркулирующим стоп-импульсом tсп, и по номеру m-входового регистра памяти, отметившим первым момент их совпадения, определяют цифровой результат преобразования «точнее» равное β (область изменения β∈[1÷m]).
3
3
3
8
В тоже время стоп-импульс tсп рециркулирует в рециркуляторе стоп-импульса с периодом Тсп=tлз, (tлз - время задержки линии задержки 3 рециркулятора стоп-импульса, причем tлз=tлз-m⋅τ) и с неизменной длительностью равной tсп, образуя импульсную последовательность
н
ƒсп(t)=ƒ(tcп+nТсп),
н
а счетчик импульсов 5 осуществляет подсчет числа n данных рециркуляций до момента времени выполнения равенства
н
н
н
При этом значение n, с областью изменения n∈[1÷N], представляет собой цифровой результат преобразования «точно».
При выполнении условия (1) оба рециркулятора, посредством элементов И4 и И9, прекращают работу и процесс преобразования заканчивается.
0
н
Функция преобразования предлагаемого способа преобразования имеет вид tx=n×Тст+n×m×⋅τ+β×τ.
Здесь первое слагаемое представляет собой цифровой результат преобразования «грубо», второе - «точно» и третье «точнее».
пр
г
т
тч
При этом время преобразования предлагаемого преобразователя не превышает величины Т=Т+Т+Т,
г
max
т
н
тч
тч
г
т
пр
max
н
где Т=tx, Т=n×Тсп и Т=m×⋅τ - временные затраты на определение соответственно цифровых результатов преобразования «грубо», «точно» и «точнее», причем, так как Т<(Т+Т), то его можно представить в виде Т=tx+(N×Тсп).
max
max
0
В виду того, что Тсп=Тст-2m×τ, а Тст<tx, то Тсп≈tx / N и, следовательно,
Тогда как время преобразования преобразователя-прототипа (патент РФ №2707380) не превышает величины
0
H
пр
пр
0
*
Из сравнения выражений (2) и (3) с учетом равенства (N+N)=(N*+1), выигрыш во времени преобразования предлагаемого преобразователя составит величину К=Т/Т=N.
0
max
Таким образом, время преобразования в предлагаемом преобразователе уменьшается в N>1 раз и достигается это посредством выполнения условия Тст<tx и применением RS-триггера 13, дополнительного счетчика импульсов 14 и их электрических связей с другими элементами преобразователя.
Данные нововведения обеспечивают определение цифрового результата преобразования «грубо» в реальном масштабе времени (за время действия непосредственно самого преобразуемого ВИ) и сокращает общее время процесса преобразования «грубо-точно-точнее».