ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОШЕНИЯ ЧАСТОТ

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники предназначена для измерения отношения частот и может быть использована также для измерения частоты (периода) периодических сигналов.
Известен измеритель отношения частот [Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) - К.: Вища шк.,1986], который содержит генератор образцовой частоты, выход которого подключен к информационному входу ключа, выход которого подключен к счетчику импульсов, формирователь импульсов, на вход которого подаются измеряемые сигналы, выход формирователя импульсов подключен к делителю частоты, выход которого связан с управляющим входом ключа. Измерение отношения частот производится следующим образом - измеряется первая частота - делитель частоты открывает ключ на интервал времени равный целому количеству периодов измеряемой частоты, за этот интервал времени подсчитывается количество периодов образцовой частоты на счетчике, в соответствии с заданным количеством периодов измеряемой частоты и показанием счетчика вычисляется измеряемая частота. Затем аналогичным способом измеряется вторая частота. После этого вычисляется отношение частот.
Недостатком такого измерителя является то, что измерение отношения частот производится не одновременно, поэтому временная нестабильность частот увеличивает погрешность измерения отношения частот.
1
2
1
2
Также известен измеритель отношения частот (прототип) [Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) - К.: Вища шк., 1986], который содержит два формирователя импульсов, на входы которых подаются сигналы с частотой F и F соответственно, а выходы формирователей подключены к входам первого и второго ключа, выходы которых подключены к входам суммирования первого и второго счетчика импульсов, информационные выходы которых подключены к информационным входам устройства управления (микроконтроллер), также к третьему информационному входу устройства управления подключен выход второго формирователя. Управляющие выходы устройства управления подключены к первому и второму ключам, к входам сброса первого и второго счетчиков. Измерение отношения частот выполняется путем подсчета за целое число периодов частоты F числа периодов частоты F.
2
Недостатком прототипа является большая погрешность дискретизации, максимальное значение которой по модулю равно одному периоду частоты F.
Задачей (технический результат) предлагаемой полезной модели является уменьшение максимального значения погрешности дискретизации при измерении отношения частот.
Поставленная задача (технический результат) достигается тем, что в измеритель отношения частот, содержащий первый формирователь, вход которого связан с источником первого сигнала, а выход с информационным входом первого ключа, выход которого соединен с суммирующим входом первого счетчика импульсов, информационный выход которого подключен к первому информационному входу устройства управления, второй информационный вход которого подключен к информационному выходу второго счетчика импульсов, суммирующий вход которого связан с выходом второго ключа, информационный вход которого присоединен к выходу второго формирователя, вход которого связан с источником сигнала второй частоты, кроме того, первый и второй импульсные выходы устройства управления соединены с входами сброса первого и второго счетчика импульсов соответственно, третий и четвертый импульсные выходы устройства управления соединены с входами управления первого и второго ключа соответственно, а первый импульсный вход устройства управления соединен с выходом первого формирователя, первый информационный выход устройства управления подключен к входу отсчетного устройства, введены генератор импульсов, третий и четвертый счетчики импульсов, третий и четвертый ключи информационные входы которых подключены к выходу генератора импульсов, а их выходы подключены к суммирующим входам третьего и четвертого счетчиков импульсов соответственно, выходы третьего и четвертого счетчиков импульсов подключены к третьему и четвертому информационному входу устройства управления соответственно, пятый и шестой импульсные выходы устройства управления соединены с входами сброса третьего и четвертого счетчиков импульсов соответственно, седьмой и восьмой импульсные выходы устройства управления соединены с входами управления третьим и четвертым ключом соответственно, а второй импульсный вход устройства управления соединен с выходом второго формирователя.
На чертеже изображена функциональная схема предлагаемой полезной модели, которая содержит:
Формирователи импульсов (Φ) 1, 2;
Ключи (К) 3, 4, 5, 6;
Счетчики импульсов (Сч) 7, 8, 9, 10;
Устройство управления (УУ) 11;
Генератор импульсов (ГИ) 12;
Отсчетное устройство (ОУ) 13.
Выходы формирователей импульсов 1 и 2 соединены с информационными входами ключей 3 и 4, соответственно, а также с импульсными входами Uимп.вх1 и Uимп.вх2 устройства управления 11 соответственно. Выходы ключей 3 и 4 присоединены к счетным входам счетчиков импульсов 7 и 8 соответственно. Выход генератора импульсов 12 присоединен к информационным входам ключей 5 и 6, а их выходы связаны со счетчиками импульсов 9 и 10 соответственно. Информационные выходы счетчиков 7, 8, 9, 10 связаны с информационными входами Uинф.вх1, Uинф.вх2, Uинф.вх3, Uинф.вх4 устройства управления 11 соответственно. Импульсные выходы устройства управления 11 Uимп.вых1, Uимп.вых2, Uимп.вых5, Uимп.вых6 соединены с входами сброса в ноль счетчиков импульсов 7, 8, 9, 10 соответственно. Входы управления ключами 3, 4, 5 и 6 связаны с импульсными выходами Uимп.вых3, Uимп.вых4, Uимп.вых7, Uимп.вых8 устройства управления 11 соответственно. Информационный выход микроконтроллера Uинф.вых.1 устройства управления 11 присоединен к входу отсчетного устройства 13.
Формирователи импульсов 1, 2 могут быть выполнены на основе компаратора, например MAX9692 (производства MAXIM). В качестве ключей 3, 4, 5 и 6 могут быть использованы схемы MAX14778 (производства MAXIM). Счетчики импульсов 7, 8, 9 и 10 могут быть выполнены, например, по традиционной схеме на триггерах MAX9381 (производства MAXIM) либо содержатся в микроконтроллере устройства управления 11. В качестве микроконтроллера устройства управления 11 может быть выбрана схема, например, AT32AP7000 (производства Atmel). Генератор импульсов 12 может быть выполнен на основе кварцевого генератора, например ГК137-ТС (производства МОРИОН). В качестве отсчетного устройства 13 может быть использован персональный компьютер с USB входом.
1
2
Работа полезной модели осуществляется следующим образом. На вход формирователя импульсов 1 подается сигнал с частотой F, а на вход формирователя импульсов 2 сигнал с частотой F. В исходном состоянии устройство управления 11 через Uимп.вых1, Uимп.вых2, Uимп.вых5, Uимп.вых6 устанавливает счетчики импульсов 7, 8, 9 и 10 в нулевое состояние и через Uимп.вых3, Uимп.вых4, Uимп.вых7, Uимп.вых8 разрывает ключи 3, 4, 5 и 6.
Начиная с некоторого момента времени, который задается устройством управления 11, устройство управления 11 ожидает прихода импульса на импульсный вход Uимп.вх1 и Uимп.вх2 с выхода формирователя импульсов 1 и формирователя импульсов 2 соответственно.
1
г
В момент прихода первого импульса после сброса счетчиков импульсов с выхода формирователя импульсов 1 на импульсный вход Uимп.вх1 устройства управления 11, инициирует устройство управления 11, которое через импульсные выходы Uимп.вых3 и Uимп.вых7 замыкает ключи 3 и 5 соответственно. Счетчик 7 начинает счет импульсов следующих с частотой F, которая задается входным сигналом, поступающим на вход формирователя импульсов 1. Счетчик импульсов 9 считает импульсы с частотой F, идущие от генератора импульсов 12.
2
г
В момент прихода первого импульса после сброса счетчиков импульсов с выхода формирователя импульсов 2 на импульсный вход Uимп.вх2 устройства управления 11, устройство управления 11 через импульсные выходы Uимп.вых4 и Uимп.вых8 замыкает ключи 4 и 6 соответственно. При этом счетчик импульсов 8 начинает счет импульсов, следующих с частотой F, которая задается входным сигналом, поступающим на вход формирователя импульсов 2. Счетчик импульсов 10 начинает счет импульсов с частотой F, идущих с выхода генератора импульсов 12.
Такой режим работы устройства сохраняется в течение некоторого интервала времени, который задается устройством управления 11. После окончания этого интервала времени и прихода очередного импульса с выхода формирователя импульсов 1 на импульсный вход Uимп.вх1 устройства управления 11, которое разрывает ключи 3 и 5 через соответствующие импульсные выходы Uимп.вых3 и Uимп.вых7. И после прихода очередного импульса с выхода формирователя импульсов 2 на импульсный вход Uимп.вх2 устройства управления 11, которое разрывает ключи 4 и 6 через соответствующие импульсные выходы Uимп.вых4 и Uимп.вых8.
1
2
Далее устройство управления 11 вычисляет отношение частот F и F, по формулам
7
8
9
10
где N, N, N, N - коды счетчиков импульсов 7, 8, 9, 10 соответственно, в
конце измерения, определяемого устройством управления 11. Тогда можно записать
г
l
7
1
2
8
2
Из работы предлагаемой полезной модели следует, что методическая погрешность дискретизации образуется при подсчете числа импульсов, следующих с частотой F за целое число периодов, следующих с частотой F(время счета, равное Ν·Τ) и за целое число периодов, следующих с частотой F (время счета, равное NT) на счетчиках импульсов 9 и 10 соответственно. Учитывая этот факт, можно записать
Тогда максимальная методическая погрешность дискретизации будет равна
А в прототипе она равна
г
г
1
2
2
m
1
г
1
2
-8
-9
3
-3
В предлагаемом устройстве F выбирается исходя из возможности быстродействия логических элементов и счетчиков импульсов. В настоящее время F может быть выбрана от 100 МГц до 1 ГТц без особых трудностей. Таким образом, выбирая время измерения, которое задается устройством управления 11, равным 1 с, можно получить максимальную погрешность дискретизации, не превышающую 2(10-10). Причем эта погрешность практически не зависит от значений F и F в диапазоне частот от единиц герц до 10 МГц. В то время как в прототипе при измерении отношения частот, когда, например F=10 Гц и Ν·T близко к 1 с, погрешность дискретизации равна 10. При этом из формулы (3) следует, что результат отношения частот не зависит от частоты F и ее нестабильности, так как измерение частот F и F производится одновременно. Таким образом, в предложенной полезной модели существенно снижена максимальная погрешность дискретизации по сравнению с прототипом.