ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ
TIME INTERVAL DIGITAL MEASURING TRANSDUCER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к технике прецизионного измерения однократных интервалов времени.
Уровень техники
Для преобразования интервалов времени в цифровой код широко применяются счетчики времени, действие которых основано на подсчете числа импульсов эталонной частоты, укладывающихся в преобразуемый интервал времени [1]. Повышение точности таких устройств достигается за счет уменьшения шага дискретизации времени либо путем повышения эталонной частоты, либо путем интерполяции эталонного периода. Первый путь имеет очевидные пределы, обусловленные быстродействием цифровой элементной базы.
Известен цифровой интерполирующий измеритель интервала времени [2], который содержит эталонный генератор импульсов, выход которого присоединен через первый элемент И к входу счетчика импульсов, при этом оставшийся вход первого элемента 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, поскольку шаг дискретизации не может быть меньше времени задержки элемента задержки.
Аналогами настоящего изобретения являются также схемы цифровых преобразователей время-код, в которых использован нониусный метод оценки дробной части измеряемого с помощью эталонного генератора интервала времени, например схема, описанная в [3]. Данное устройство включает основной и дополнительный генераторы импульсов, периоды которых различаются на малую величину, которая и составляет значение разрешения по времени. В известное устройство входят также два триггера и два вентиля И, управляющие процессом нониусной развертки, а также два счетчика импульсов, отображающих результат измерения. При высокой точности измерения данного устройства оно имеет низкую производительность - большое «мертвое» время, так как процесс нониусной развертки после окончания преобразуемого интервала занимает множество опорных периодов.
Другим аналогом настоящего изобретения является временной интерполятор [4], содержащий счетчик импульсов и секционированную линию задержки, входы которых соединены с общим зажимом опорных сигналов. Устройство включает регистр в виде множества триггеров с общими информационными и сбросовыми входами, причем синхронизирующие входы триггеров соединены с соответствующими промежуточными отводами линии задержки. Кроме того, в схему входит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое служит преобразователем термометрического кода образованного триггерами регистра в двоичный код. Общее время задержки секционированной линии задержки равно одному опорному периоду. Запуск устройства осуществляется синхронизированным с опорным сигналом стартовым импульсом, который разрешает работу счетчика импульсов. Одновременно опорные сигналы распространяются по линии задержки. В момент поступления стопового импульса счетчик импульсов фиксирует число полных опорных периодов, уложившихся в измеряемый интервал, а регистр - номер отвода секционированной линии задержки, до которого успел распространиться опорный сигнал. В итоге счетчик отражает старшие биты результата измерения, а ПЗУ - младшие биты. Погрешность измерения определяется временем задержки секции линии задержки, что существенно меньше опорного периода. В то же время такая разрешающая способность преобразователя время-код во многих применениях оказывается недостаточной, кроме того, имеется дополнительный источник погрешности преобразования, связанный с неравномерностью задержки отдельных секций линии задержки.
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для измерения интервала времени [5] с опорным генератором в виде мультифазного кольцевого генератора (МКГ), множество выходов которого образует субшкалу отсчета времени. Выходы МКГ связаны с соответствующими информационными входами двух регистров, тактовые входы которых соединены с входными зажимами сигналов начала и окончания интервала времени, а выходы через соответствующие шифраторы подключены к младшим входам соответствующих операндов блока вычитания. При этом старшие входы первого операнда блока вычитания присоединены посредством третьего регистра к выходам счетчика импульсов, определяющего целое число опорных периодов в измеряемом интервале времени. Имеется также четвертый регистр для записи результата измерения в момент окончания интервала времени. В данном аналоге нет необходимости в синхронизации начала отсчета интервала с опорным импульсом, а неравномерность квантов времени по выходам МКГ может быть получена достаточно малой. Однако точность измерения в устройстве-прототипе по-прежнему ограничена значением названного кванта времени МКГ, дополнительную погрешность может вызывать нестабильность опорного периода МКГ.
Сущность изобретения
<mrow><msqrt><mi>n</mi></msqrt></mrow>
Целью настоящего изобретения является повышение точности цифрового преобразования однократного интервала времени в цифровой код. Указанная цель достигается благодаря уменьшению случайной составляющей погрешности путем усреднения результатов, полученных одновременно множеством независимых интерполирующих преобразователей время-код. Как известно, n-кратное измерение одной и той же физической величины позволяет повысить точность измерения в
раз. Особенностью использованного в предлагаемом устройстве метода является то, что процессы измерения величины разнесены не во времени, а в пространстве.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее интерполирующий преобразователь время-код, своими первым и вторым входами связанный с зажимами сигналов начала и окончания интервала, введено множество дополнительных аналогичных интерполирующих преобразователей время-код. Одноименные входы всех интерполирующих преобразователей время-код объединены, причем их третьи объединенные входы присоединены к выходу опорного генератора, а многоразрядные выходы - к информационным входам соответствующих регистров. Тактовые входы регистров подключены к зажиму сигнала окончания интервала через элемент задержки, а выходы - к соответствующим входам блока осреднения.
В предпочтительном варианте исполнения каждый интерполирующий преобразователь время-код строится в виде мультифазного кольцевого генератора, множеством своих выходов подключенного к информационным входам первого и второго регистров. Тактовые входы упомянутых регистров служат первым и вторым входами интерполирующего преобразователя время-код, а выходы присоединены к входам соответствующих первого и второго шифраторов, причем один из выходов мультифазного кольцевого генератора соединен с тактовым входом первого счетчика импульсов непосредственно и с входом сброса второго счетчика импульсов через делитель частоты. Вход сброса первого счетчика импульсов подключен к первому входу интерполирующего преобразователя время-код, а тактовый вход второго счетчика импульсов служит третьим входом интерполирующего преобразователя время-код. При этом выходы первого и второго счетчиков импульсов подключены к информационным входам соответственно третьего и четвертого регистров, тактовыми входами присоединенных соответственно к тактовому входу второго регистра и выходу делителя частоты. Выходы первого и второго шифраторов, третьего и четвертого регистров присоединены к соответствующим многоразрядным цифровым входам арифметического блока.
В устройстве не требуется стабилизации периода МКГ в интерполирующих преобразователях время-код, что выгодно отличает его от прототипа, поскольку становится возможной его реализация на программируемой пользователем вентильной матрице.
Перечень чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема цифрового измерительного преобразователя интервала времени в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показана функциональная электрическая схема предпочтительного варианта интерполирующего преобразователя время-код, входящего в состав цифрового измерительного преобразователя интервала времени.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
В представленную на фиг. 1 схему цифрового измерительного преобразователя интервала времени для определенности включены четыре одинаковых интерполирующих преобразователя 1…4 время-код, у которых первые объединенные входы присоединены к входному зажиму 5 сигнала начала интервала, вторые объединенные входы - к входному зажиму 6 сигнала окончания интервала, а третьи объединенные входы - к выходу опорного генератора 7. Цифровые выходы интерполирующих преобразователей 1…4 время-код подключены к информационным входам соответствующих регистров 8…11, тактовые входы которых через элемент 12 задержки соединен с зажимом 6 сигнала окончания интервала, а их цифровые выходы - с соответствующими входами блока 13 осреднения.
В предпочтительном варианте осуществления каждый из интерполирующих преобразователей 1…4 время-код (фиг. 2) содержит MKГ 14, множеством своих выходов присоединенных к информационным входам первого 15 и второго 16 регистров, снабженных выходными шифраторами 17, 18, тактовые входы упомянутых регистров соединены соответственно с первым 19 и вторым 20 входами описываемого преобразователя. Один из выходов MKГ 14 соединен с тактовым входом первого счетчика 21 импульсов и через делитель 22 частоты - с входом сброса второго счетчика 23 импульсов, своим тактовым входом подключенного к третьему входу 24 преобразователя. Многоразрядные выходы первого 21 и второго 23 счетчиков импульсов соединены с информационными входами третьего 25 и четвертого 26 регистров, тактовый вход третьего регистра 25 объединен с тактовым входом второго регистра 16, а тактовый вход четвертого регистра 26 - с входом сброса второго счетчика 23 импульсов. Многоразрядные цифровые выходы обоих шифраторов 17, 18, третьего 25 и четвертого 26 регистров соединены с соответствующими цифровыми входами операндов арифметического блока 27, множество выходов 28 которого является цифровым выходом интерполирующего преобразователя 1…4 время-код.
Для уяснения принципа действия устройства рассмотрим вначале порядок функционирования его основного блока - показанного на фиг. 2 интерполирующего преобразователя время-код. Основное отличие данного блока от прототипа состоит в том, что к точности и стабильности частоты импульсов МКГ 14 особых требований не предъявляется, что упрощает реализацию устройства на программируемой пользователем вентильной матрице (FPGA - Field Programmable Gate Array), где аналоговая подстройка частоты генерируемых импульсов невозможна. Вместо стабилизации частоты она непрерывно измеряется, а результат измерения используется при расчете значения преобразуемого интервала времени.
МКГ
D
D
D
2
1
D
2
D
1
D
МКГ 14 непрерывно генерирует на N своих выходах многофазные импульсы с периодом Т=2Nt, смещенные по времени с шагом t, а по фазе - на π/N (t - время задержки каскада МКГ). Эти импульсы поступают на информационные входы первого 15 и второго 16 регистров, которые в моменты тактирования сигналами соответственно начала интервала на входе 19 и окончания интервала на входе 20 фиксируют позиции этих сигналов по внутренней субшкале МКГ в виде термометрических кодов, которые далее преобразуются шифраторами 17 и 18 в двоичные числа, обозначенные на фиг. 2 соответственно как K и K. Эти числа означают количество квантов t времени от начала периода МКГ до моментов поступления входных сигналов начала и окончания интервала времени. Соответственно времена задержки указанных сигналов относительно начала периода МКГ равны Kt и Kt.
0
0
0
0
D
Кроме того, первый счетчик импульсов 21, работа которого разрешается после прихода сигнала начала интервала на вход 19, подсчитывает количество K импульсов МКГ 14, уложившихся в интервал между сигналами его начала и окончания. По окончании интервала число K записывается в регистр 25, это число отображает продолжительность K периодов импульсов МКГ, т.е. 2KNt. Таким образом, измеренное значение интервала времени окажется равным
D
МКГ
Для нахождения входящего в (1) значения t используются счетчик 23 импульсов с делителем 22 частоты, которые непрерывно измеряют период Тимпульсов МКГ 14. Делитель 22 частоты с модулем деления D образует импульсы типа «меандр» с полуволнами равной длительности
В течение одной полуволны второй счетчик 23 импульсов удерживается в сброшенном состоянии, в течение другой полуволны заполняется импульсами опорного генератора 7, поступающими на вход 24, достигая всякий раз состояния
Это число по окончании интервала переписывается в четвертый регистр 26. Из выражения (3) следует, что
0
1
2
Таким образом, на выходах шифраторов 17, 18 и регистров 25, 26 образуются числа K, K, K, M, поступающие далее на соответствующие входы арифметического блока 27. Арифметический блок 27 производит вычисление значения измеренного интервала времени по формуле (1), которая с учетом (4) приобретает вид
Х1
Х2
Xn
Подобным образом работают все n каналов преобразования, после окончания измеряемого интервала времени они образуют n независимых результатов Т, Т, …, T. В основной схеме устройства (фиг. 1) с задержкой элемента 12 задержки, достаточной для завершения вычислений в арифметическом блоке 27, эти результаты переписываются в n регистров 8…11 (в данном примере их число равно четырем), после чего поступают на блок 13 осреднения. Блок 13 осреднения образует окончательный результат преобразования в соответствии с выражением
0k
1k
2k
где K, K, K - выходные числа k-го интерполирующего преобразователя время-код.
<mrow><msqrt><mi>n</mi></msqrt></mrow>
Благодаря усреднению результатов n измерений одного и того же интервала времени случайная ошибка измерения сокращается в
раз, для рассмотренного примера осуществления устройства с четырьмя каналами преобразования случайная ошибка уменьшается в два раза по сравнению с прототипом. Таким образом, в предложенном устройстве может быть достигнуто разрешение по времени, существенно меньшее задержки каскада МКГ - задержки логического вентиля.
Литература
1. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. - М.: Техносфера, 2006, с. 22, рис. 2.1.
2. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1981, с. 166, рис. 3.27.
3. Там же, с. 163, рис. 3.25.
4. Патент США 4439046, МПК G04 8/00, 27.03.1984 г.
5. Патент РФ 2260830. Устройство для измерения интервала времени, МПК G04F 10/04, решение о выдаче патента от 20.09.2005 г. (прототип).