УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY MEASURING DEVICE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для измерения и контроля частоты следования импульсов в цифровых системах управления.
Известно устройство для измерения частоты содержащее два счетчика импульсов, схему управления, генератор импульсов тактовой частоты, реализующее счетно-импульсный способ измерения частоты следования импульсов в эталонном интервале времени (Основы построения автоматизированных систем контроля сложных объектов. Под ред. П.И. Кузнецова. М.: Энергия, 1969. с. 95).
Известно устройство для измерения частоты содержащее два счетчика импульсов, схему управления и синхронизации, генератор импульсов тактовой частоты. Устройство реализует счетно-импульсный способ измерения частоты в интервале времени равном целому числу периодов следования импульсов измеряемой частоты (Основы построения автоматизированных систем контроля сложных объектов. Под ред. П.И. Кузнецова. М.: Энергия, 1969. с. 98).
0
0
0
Общими недостатками устройств являются ограниченные неравенствами диапазоны измерения частот следования импульсов: для первого устройства ƒx>ƒ, а для второго ƒx<ƒ, где ƒx и ƒ - частоты следования импульсов измеряемой и тактовой частот соответственно.
Известно устройство измерения частоты, содержащее входную клемму, аналоговый компаратор, одновибратор, генератор прямоугольных импульсов, регистр, микроконтроллер, приемопередатчик, персональную электронную вычислительную машину, источник опорного напряжения, постоянное запоминающее устройство, таймер, таймер-часы, блок вычитания, блок деления, блок множителя, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом одновибратора, выход которого соединен с входом первого вектора прерываний микроконтроллера и входом захвата таймера, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами микроконтроллера и таймера-часов и подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход таймера соединен с входом уменьшаемого блока вычитания и через регистр с входом вычитаемого блока вычитания, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход соединен с шиной данных микроконтроллера, с которой также связаны информационный выход таймера-часов, а также информационные вход и выход постоянного запоминающего устройства, адресный вход которого подключен к адресной шине микроконтроллера, а вход управления записью подключен к шине управления микроконтроллера, к которой также подключены вход управления записью регистра и входы управления состоянием выходов постоянного запоминающего устройства и таймера-часов, выход суточных импульсов которого соединен с входом второго вектора прерываний микроконтроллера, информационный выход которого через шину данных связан с входом приемопередатчика, выход которого через шину обмена данными соединен с входом персональной электронной вычислительной машины (патент РФ №2308716, 2008 г.).
Известен цифровой измеритель частоты, содержащий блок логический, блок реверсивного счета, блок логический формирования временного интервала измерения, блок определения временного интервала, счетчик периодов интервала измерения, автомат управления точностью измерения частоты, буфер количества импульсов, буфер начальной установки блока реверсивного счета, буфер временного интервала, буфер минимального временного интервала, буфер нормирующего коэффициента, буфер периода дискретизации, шинный интерфейс, генератор импульсов эталонной частоты (патент РФ №2517783, 2012 г.).
Недостатками этих устройств является сложность их конструкций и ограниченный диапазон измерения частот.
Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является измеритель частоты, содержащий первый и второй счетчики импульсов, генератор тактовых импульсов, блок управления, микропроцессорный блок, выход которого подключен к первому входу блока управления, а первая группа информационных входов подключена к информационным выходам первого и второго счетчиков импульсов, содержащий также входную шину, счетчики импульсов выполнены программно-управляемыми с возможностью выбора адреса, выбора микросхемы предустановки кода и раздельного управления записью и чтением, а первая группа информационных входов микропроцессорного блока выполнена двунаправленной, причем входы разрешения счета первого и второго счетчиков импульсов подключены к первому выходу блока управления, второй выход которого подключен к счетному входу первого счетчика импульсов, выход переноса которого подключен к второму входу блока управления и входу микропроцессорного блока, первая группа информационных входов которого подключена к информационным входам первого и второго счетчиков импульсов, входы управления записью, чтением, выбора адреса, выбора микросхемы которых подключены к второй группе информационных выходов микропроцессорного блока, входная шина подключена к третьему входу блока управления, а генератор тактовых импульсов подключен к счетному входу второго счетчика импульсов. (Патент РФ №2210785, 2003 г.).
x
0
Недостатком этого измерителя, является ограниченность диапазона измерения неравенством ƒ<ƒ и сложность его конструкции, обусловленная необходимостью ввода дополняющего кода в счетчик импульсов измеряемой частоты.
Задачей изобретения является расширение диапазона измерения частоты при заданной точности, а так же упрощение конструкции устройства.
Технический результат достигается тем что, в устройство, содержащее первый и второй счетчики импульсов, генератор тактовых импульсов, блок управления, первый вход которого подключен к генератору тактовых импульсов, а второй вход к источнику измеряемой частоты введены два выходных регистра, входы данных которых подключены к информационным выходам первого и второго счетчиков, а их входы разрешения записи подключены к третьему выходу блока управления, входы разрешения счета первого и второго счетчиков подключены к первому и второму выходу блока управления, а их входы сброса к третьему выходу блока управления, при этом старшие разряды информационных выходов первого и второго счетчиков подключены к третьему и четвертому входам блока управления перекрестно с его первым и вторым входами.
На фиг. 1 представлена электрическая функциональная схема устройства для измерения частоты.
Устройство содержит первый и второй счетчики импульсов 1 и 2, генератор тактовых импульсов 3 выход которого подключен к первому входу блока управления 4, два выходных регистра 5 и 6, входы данных которых подключены к информационным выходам первого и второго счетчиков 1, 2, а выходы данных регистров 5, 6 подключены к шине данных внешней микропроцессорной системы 7. Входы сброса R первого и второго счетчиков 1, 2 и входы записи данных W первого и второго регистров 5, 6 подключены к третьему выходу блока управления 4. Счетные входы С первого и второго счетчиков 1, 2 подключены к первому и второму выходам блока управления 4. Старшие разряды информационных выходов первого и второго счетчиков 1, 2 подключены к третьему и четвертому входам блока управления 4 перекрестно с его первым и вторым входами, которые являются входами синхронизирующих триггеров измеряемой частоты с тактовой.
Упрощение конструкции достигается применением двоичных счетчиков одинаковой разрядности с асинхронным сбросом без предварительной установки и заменой микропроцессорного блока двумя выходными регистрами, а расширение диапазона измеряемых частот достигается перекрестным подключением старших разрядов информационных выходов первого и второго счетчиков с первым и вторым входами блока управления, к которым подключены генератор тактовых импульсов и источник импульсов измеряемой частоты соответственно.
Перечисленные отличия предлагаемого устройства для измерения частоты не выявлены при изучении отрасли знаний цифровой измерительной техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленных технических решений критерию новизна. Заявленное устройство для измерения частоты следования импульсов позволяет получить положительный эффект в виде расширения диапазона измеряемых частот при условии обеспечения требуемой точности за счет реализации устройством двух способов измерения частоты, в зависимости от отношения измеряемой и эталонной частот, а так же имеет простую конструкцию относительно аналога.
Устройство работает в следующем порядке.
0
x
В исходном положении все триггеры блока управления 4 находятся в сброшенном состоянии. Счетчики 1 и 2 находятся в нулевом состоянии. На первый вход блока управления 4 поступают импульсы тактовой частоты, а на второй вход импульсы измеряемой частоты. Электронные ключи 4.1 и 4.4 открыты сигналом логической единицы с выхода инвертора 4.3 и пропускают импульсы тактовой ƒ и измеряемой ƒ частот на входы счетчиков. С этого момента начинается отсчет импульсов тактовой частоты счетчиком 1 и измеряемой частоты счетчиком 2.
x
0
x
0
x
0
x
0
x
x
0
x
x
0
x
Блок управления 4 реализует условный принцип формирования временного интервала измерения, равного целому числу периодов следования импульсов измеряемой или тактовой частоты, в зависимости от отношения частот ƒ<ƒ или ƒ>ƒ соответственно. Если ƒ<ƒ, то первым наполовину заполнится счетчик 1, если ƒ>ƒ, то первым наполовину заполнится счетчик 2. Соответственно блок управления формирует временной интервал измерения t: если ƒ<ƒ, то t равен целому числу периодов измеряемой частоты и устройство работает в первом режиме; если ƒ>ƒ, то t равен целому числу периодов эталонной частоты и устройство работает во втором режиме.
x
0
x
x
x
x
0
x
0
Пусть ƒ<ƒ, тогда первым сформируется сигнал логической единицы со старшего информационного выхода на счетчике 1, который подготовит к синхронной установке триггер Т1 по фронту очередного импульса измеряемой частоты ƒ. Инверсный выход триггера T1 изменит состояние логического элемента И-НЕ 4.2 с 0 на 1 в результате чего на прямом выходе триггера T3 сформируется импульс окончания временного интервала измерения t, который является управляющим сигналом третьего выхода блока управления 4. Таким образом, осуществляется синхронизация временного интервала измерения t к целому числу периодов следования измеряемой частоты. По фронту импульса с третьего выхода блока управления 4 информация о количестве подсчитанных импульсов N и N с выходов счетчиков перепишется в выходные регистры 5 и 6, а по срезу этого импульса обнулятся счетчики 1 и 2. Кроме того, этот импульс является запросом на прерывание SDR для обработки результатов измерения внешней микропроцессорной системой 7. После сброса счетчиков 1 и 2 начинается очередной цикл измерения. Внешняя микропроцессорная система 7 при обработке прерывания посредством адресных входов А выходных регистров 5 и 6 последовательно считывает коды N и N.
В этом режиме работы значение измеряемой частоты определяется по выражению
диапазон измеряемых частот определяется неравенствами
где n - разрядность счетчиков 1 и 2.
При выполнении неравенств (2) и при условии постоянного значения измеряемой частоты показатели качества устройства для измерения частоты будут определятся следующими выражениями и неравенствами:
x
x
1. Во время временного интервала измерения t счетчик 1 от момента половинного заполнения до формирования импульса окончания временного интервала измерения t не переполнится, т.е.
2. Абсолютная погрешность измерения, обусловленная ошибкой счета импульсов, без учета нестабильности генератора опорной частоты определяется выражением
причем максимальное значение погрешности не превысит значения
x
3. Временной интервал измерения (быстродействие) t определяется выражением
x
0
x
x
В случае, если ƒ>ƒ, то первым наполовину заполнится счетчик 2, старший информационный выход которого подготовит к установке триггер T2 блока управления, который установится по очередному фронту тактовой частоты. Аналогично работе устройства в первом режиме на третьем выходе блока управления 4 сформируется импульс окончания временного интервала измерения t. Но в этом режиме работы временной интервал t будет равен целому числу периодов следования тактовой частоты.
Для этого режима работы значение измеряемой частоты так же определяется по выражению (1), а диапазон измеряемых частот определяется неравенствами
max
где ƒ определяется характеристиками быстродействия микросхем, на которых выполнено устройство.
При выполнении неравенств (7) показатели качества устройства для измерения частоты будут определятся следующими выражениями и неравенствами:
1. В течение цикла измерения счетчик 2 от момента половинного заполнения до формирования импульса окончания цикла измерения не переполнится, т.е.
2. Абсолютная погрешность измерения, обусловленная ошибкой счета импульсов, без учета нестабильности генератора опорной частоты определяется выражением
причем максимальное значение погрешности не превысит значения
x
3. Продолжительность цикла измерения t определяется выражением
Принципы работы устройства показывают, что расчет значения измеряемой частоты, как в первом, так и во втором режимах работы устройства производится по одному и тому же выражению (1), что не приводит к усложнению алгоритмического и программного обеспечения внешней микропроцессорной системы. Предельные характеристики точности, быстродействия и диапазона измеряемых частот устройства получены в результате обобщения выражений (2)-(6) с выражениями (7)-(11) и определяются выражениями:
1. Диапазон измеряемых частот
2. Максимальное значение абсолютной погрешности, обусловленной дискретной ошибкой подсчета импульсов
3. Быстродействие (продолжительность одного временного интервала измерения)
Предложенные технические решения применимы и работоспособны, а устройство для измерения частоты может быть изготовлено в условиях серийного и единичного производства с применением промышленно изготовляемых комплектующих, и, следовательно, соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Сравнительный анализ предложенных технических решений с аналогом показывает, что заявленное устройство для измерения частоты отличается от известного тем, что в нем: каналы подсчета импульсов измеряемой и тактовой частот с конструктивной и функциональной точек зрения выполнены симметрично, при этом старшие информационные выходы счетчиков импульсов измеряемой и эталонной частот подключены к блоку управления перекрестно с источниками тактовой и измеряемой частот соответственно. В совокупности эти решения позволяют упростить устройство для измерения частоты и расширить диапазон измерения частот.