Методы непрерывной обработки информации от частотных датчиков

Метрология и информационно-измерительные устройства

МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА METROLOGY AND

INFORMATION-MEASURING DEVICES

Сироткин С.Л.

Sirotkin S.L.

кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор Научно-конструкторского бюро моделирующих и управляющих систем,

ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», Россия, г. Таганрог

Коньков А.Н. Konkov A.N.

начальник сектора Научно-конструкторского бюро моделирующих и управляющих систем,

ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», Россия, г. Таганрог

УДК 681.325.

МЕТОДЫ НЕПРЕРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ОТ ЧАСТОТНЫХ ДАТЧИКОВ

Статья относится к области обработки сигналов от частотных датчиков. Рассматриваются предложенные методы непрерывной обработки частотных сигналов. Обработке подвергаются различные параметры средней частоты импульсов, такие как частота, скорость изменения частоты, ускорение изменения частоты, средний период частоты, скорость изменения периода, разность или сумма двух частот, разность периодов двух частот, отношение двух частот. На все описанные методы обработки сигналов получены авторские свидетельства СССР. Все описанные методы построены на основе использования дискетных линий задержки (регистров сдвига) с большим числом разрядов и реверсивных счетчиков. Средняя входная частота импульсов поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика, и эта же частота, прошедшая через линию задержки, поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика, показания которого прямо пропорциональны средней входной частоте импульсов. Реализация линий задержки с большим числом разрядов предлагается на основе использования программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). ПЛИС имеют высокое быстродействие и большое количество ячеек, позволяющих организовать регистры сдвига большой длины. В качестве примера применения предложенных методов непрерывной обработки частотных сигналов рассматривается схема стабилизации суммарной частоты дифференциального струнного датчика, построенная на основе использования устройства непрерывного преобразования в код суммы и разности двух частот. Рекомендуется к использованию в измерительных устройствах, системах обработки информации от частотных датчиков, системах управления, системах стабилизации частоты и ее производных.

90

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014

Metrology and information-measuring devices

Ключевые слова: частотный датчик, реверсивный счетчик, частота импульсов, скорость изменения частоты, ускорение изменения частоты, разность частот, период, скорость изменения периода, разность периодов, дискретная линия задержки, регистр сдвига.

THE METHODS CONTINUOUS WORKING OF INFORMATION FROM

FREQUENCY SENSORS

Entry apply to area of procession from frequency sensors. Consider offered methods of continuous working frequency signals. Different parameters procession different parameters of overage frequency impulses: frequency, rate of change frequency, acceleration rate of change frequency, period, rate of change period, difference or sum of frequencies, production of frequencies. In all attached had take out a certificate of authorship of USSR. All attached method of working make of basis using discrete line of delay (shift register) with big number of discharge and reversible counter. Average input frequency of impulses enters in summing input of reversible counter and this frequency, passing through line of delay enters in subtracting input of reversible counter, registration which is directly proportional of overage input frequency of impulses. Realization of line of delay with big number of discharge propose on basis programmable logical integral scheme (PLIS). PLIS has fast response and big amount of cells, admitting to organize shift registers of big length. As a case in point application offered of methods continuous working of frequency signals consider circuit for stabilization summing frequency of differential stringed sensor, building on basis using device continuous transformation in code of sum and difference of second frequencies. Recommend to use in measuring devices, system of processing information from frequency sensors, systems direction, systems of stabilization and her derivative.

Key words: frequency sensor, overage frequency of impulses, reversible counter, rate of change frequency, acceleration rate of change frequency, difference of frequencies, period, rate of change period, difference of periods, discrete line of delay, shift register.

Задача обработки информации от частотных датчиков является актуальной, т. к. существует множество устройств и приборов, оснащенных частотными датчиками, у которых информационным параметром является средняя частота импульсов и ее производные.

В настоящей статье приводится обзор предложенных методов непрерывной обработки сигналов от частотных датчиков.

В 1964 году Бруфманом С.С. был запатентован способ измерения частоты [1]. Описание этого способа опубликовано в [2] в 1970 г. Суть способа поясняется рисунком 1.

Koflfv

Входная частота импульсов f поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика (РС), и эта же частота f задержанная на дискретной линии задержки (ДЛЗ), поступает на вычитающий вход РС. Пока входная частота заполняет ДЛЗ, РС осуществляет подсчет этих импульсов. Когда импуль-

сы с выхода ДЛЗ начнут поступать на вычитающий вход РС, его показания перестанут изменяться и будут прямо пропорциональны средней входной частоте f_. Если средняя входная частота f будет увеличиваться, показания РС будут увеличиваться, если уменьшаться - будут уменьшаться. То есть с помощью РС непрерывно определяется значение средней входной частоты импульсов f

Ранее данный способ широко не использовался, т. к. для точного преобразования частоты в код необходимо обеспечить большой измерительный интервал, т. е. большое время задержки. При реализации линии задержки на основе регистра сдвига для обеспечения необходимой точности преобразования требуется большое количество разрядов регистра сдвига и его высокое быстродействие. В настоящее время указанные недостатки несущественны, если использовать высокоскоростные перепрограммируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

В описанной схеме преобразования частоты импульсов в код при случайном совпадении импульсов на счетных входах РС может возникать потеря информации и, соответственно, будет увеличиваться погрешность преобразования. Для устранения данного недостатка во всех описанных ниже схемах должен применяться принцип рассинхронизации импульсов на счетных входах РС по схеме, приведенной на рисунке 2.

Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014

91

Метрология и информационно-измерительные устройства

Код fx

Рис. 2. Пример рассинхронизации импульсов на счетных входах РС

Рассинхронизация импульсов на входах РС осуществляется с помощью синхронизаторов (С), управляемых импульсами с выходов распределителя импульсов (РИ), вырабатывающего сдвинутые по времени серии импульсов.

На основе описанного способа измерения частоты предложено устройство непрерывного преобразования в код разности частот [3], функциональная схема которого приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Преобразование разности частот в код

В данной схеме, как и во всех описываемых ниже схемах, синхронизаторы условно не показаны. Схема работает следующим образом. Тактовая частота fT поступает на тактовые входы ДЛЗ, являющиеся регистрами сдвига, и осуществляет формирование времени задержки, которое складывается из числа разрядов регистра сдвига, умноженного на период тактовой частоты fT.

Первая входная частота f непрерывно преобразуется в код по способу [1], и одновременно с этим вторая входная частота f2 также непрерывно пре-

образуется в код, но в отличие от f незадержанная частота f2 поступает на вычитающий вход РС, а задержанная частота f2 поступает на суммирующий вход РС. Таким образом, на РС осуществляется непрерывное преобразование в код разности частот. Для определения знака разности необходимо выбирать модифицированный дополнительный код.

На рисунке 4 приведена функциональная схема преобразования в код скорости изменения частоты [4].

Рис. 4. Преобразование скорости изменения частоты в код

Принцип работы схемы следующий. Входная частота fx задерживается, и по известной схеме [3] осуществляется непрерывное преобразование в код

разности незадержанной и задержанной входной частоты fx. Эта разность непрерывно показывает, насколько изменяется входная частота за время за-

92

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014

Metrology and information-measuring devices

держки, т. е. какова скорость изменения частоты.

На рисунке 5 приведена функциональная схема преобразования в код ускорения изменения частоты [5].

Преобразование ускорения изменения частоты fx в код осуществляется следующим образом. Ускорение изменения частоты зависит от того, насколько изменится скорость изменения частоты за определенный интервал времени. Для этого на суммирование подаются импульсы, соответствующие

не задержанной скорости изменения частоты, и на вычитание - импульсы, соответствующие задержанной скорости изменения частоты.

При обработке сигналов от частотных датчиков бывает удобнее непрерывно преобразовывать в код не частоту, а период входной частоты и его производных.

На рисунке 6 представлена функциональная схема непрерывного преобразования в код периода входной частоты Тх [6].

Рис. 5. Преобразование ускорения изменения частоты в код

Код Тх

Отличается данный метод от известного способа измерения частоты [1] тем, что импульсы измеряемого периода Тх подаются на сдвиговый вход ДЛЗ, на информационный вход которой подается постоянная тактовая частота с периодом f При увеличении периода Тх импульсов входной часто-

ты увеличивается время задержки в ДЛЗ и соответственно увеличивается код в РС, т. е. код РС прямо пропорционален периоду Тх входной частоты.

На рисунке 7 приведена функциональная схема преобразования в код разности периодов двух частот [7].

Рис. 7. Преобразование разности периодов в код

Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014

93

Метрология и информационно-измерительные устройства

Преобразование в код разности периодов осуществляется аналогично способу преобразования в код разности частоты [3], только входные периоды Т и Т2 подаются на сдвиговые входы ДЛЗ, а тактовая частота fT подается на информационные входы ДЛЗ. Для фиксирования знака разности периодов

должен выбираться модифицированный дополнительный код.

На рисунке 8 приведена функциональная схема преобразования в код скорости изменения периода [8].

Рис. 8. Преобразование скорости изменения периода в код

Преобразователь работает следующим образом. Импульсы периода Тх входной частоты задерживаются на ДЛЗ, и по известной схеме [6] осуществляется преобразование в код разности импульсов не задержанного и задержанного периода

Тх, т. е. непрерывное преобразование в код скорости изменения периода Т

На рисунке 9 приведена функциональная схема преобразования в код суммы частот [9].

Код

Рис. 9. Преобразование суммы частот в код

Преобразователь работает следующим образом. По известной схеме [1] каждая из суммируемых частот f f ...fn с помощью РС и индивидуальной ДЛЗ преобразуется в код, а на РС осуществляется непрерывное формирование кода суммы частот.

На рисунке 10 приведена функциональная схема преобразования в код разности скоростей изменения двух частот [10].

Преобразователь работает следующим образом. По известной схеме [4] осуществляется формирование сигналов для получения скорости изменения частот f1 и f и на РС происходит вычитание скоростей изменения двух частот и непрерывное формирование кода разности скоростей изменения

двух частот. Для формирования знака разности в РС следует выбирать модифицированный дополнительный код.

На рисунке 11 приведена функциональная схема непрерывного преобразования в код отношения двух частот [11].

Преобразователь работает следующим образом. Одна частота f1 поступает на суммирующий вход РС и через ДЛЗ - на вычитающий вход РС. Вторая частота f2 поступает на управляющий вход ДЛЗ. При увеличении частоты f1 показания РС увеличиваются. При увеличении частоты f2 за счет уменьшения времени задержки ДЛЗ показания РС уменьшаются. Поэтому результирующие показа-

94

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014

Metrology and information-measuring devices

ния РС прямо пропорциональны отношению двух частот, и процесс преобразования идет непрерывно.

Примером применения метода обработки сигналов от частотных датчиков является устройство для стабилизации суммарной частоты дифференциального струнного датчика (ДСД) [12]. Функциональная схема устройства стабилизации суммарной частоты ДСД приведена на рисунке 12.

Струнные датчики используются для выработки сигналов, пропорциональных ускорению, причем это ускорение прямо пропорционально сумме частот двух струн датчика, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Поэтому для более точной работы струнного датчика необходима стабилизация суммарной частоты его струн.

f 1

L-5 ДЛЗ

f 2

L-Э ДЛЗ

ДЛЗ

ДЛЗ

ДЛЗ

ДЛЗ

или

РС

Код ±

Рис. 10. Преобразование в код разности скоростей изменения двух частот

Код

Рис. 11. Преобразование отношения двух частот в код

и

-э ДСД

f 2

-Э ДЛЗ

1—Ж—1

---о

^ ДЛЗ

-з ИЛИ

или

-э +

РС

-э -

им

гти

в д

f----з длз

Рис. 12. Функциональная схема стабилизации суммарной частоты ДСД

Устройство стабилизации работает следующим образом. Обе частоты с выхода дифференциального струнного датчика (ДСД) f и f2 поступают через элемент ИЛИ на суммирующий вход РС, и

эти же две частоты, задержанные на ДЛЗ, поступают на вычитающий вход РС [9]. Одновременно с этим эталонная частота от генератора тактовых импульсов (ГТИ), к величине которой должна под-

Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014

95

Метрология и информационно-измерительные устройства

страиваться суммарная частота ДСД, поступает на вычитающий вход РС, и эта же эталонная частота, задержанная на ДЛЗ, поступает на суммирующий вход РС. Эталонная частота формируется ГТИ и делителем частоты (Д). На РС непрерывно формируется код, пропорциональный суммарной частоте струн ДСД за вычетом эталонной частоты. При равенстве суммарной частоты струн ДСД и эталонной частоты код на выходе РС близок к нулю, и управляющий ток на выходе исполнительного механизма (ИМ) имеет среднее значение. При увеличении суммарной частоты струн ДСД увеличивается разность суммарной и эталонной частот, код этой разности со знаком плюс с РС поступает на управляющий вход ИМ, который вырабатывает тем больший ток, чем больше разность суммарной и эталонной частот. Чем больше ток от ИМ, тем больше длина струн ДСД и тем меньше их суммарная частота. При уменьшении суммарной частоты ДСД увеличивается отрицательная разность суммарной и эталонной частот, эта разность в виде кода со знаком минус РС поступает на управляющий вход ИМ, который вырабатывает тем меньший ток, чем больше отрицательная разность суммарной и эталонной частот. При уменьшении тока от ИМ длина струн в ДСД уменьшается, а частота их колебаний увеличивается. Таким образом, осуществляется стабилизация суммарной частоты ДСД.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Описанные методы обработки сигналов от частотных датчиков защищены авторскими свидетельствами СССР. Функциональные схемы описанных методов входят в состав функциональных схем известных устройств в качестве дополнительных режимов работы. Поэтому не требуется полное описание методов работы известных устройств, в состав которых входят в виде составных частей устройства, реализующие предложенные методы.

2. Реализация и применение предложенных методов непрерывной обработки сигналов от частотных датчиков в настоящее время намного упрощаются за счет возможности построения ДЛЗ на сдвиговых регистрах с большим временем задержки при большом числе разрядов. Регистры сдвига с большим числом разрядов легко реализуются на ПЛИС, что дает возможность обеспечить высокую точность преобразования.

3. Описанные преобразователи могут использоваться для более точной непрерывной обработки сигналов от частотных датчиков, где важно не только само непрерывное значение частоты датчика, но и непрерывное значение скорости измене-

ния частоты и ее ускорение.

4. Возможно дальнейшее расширение данного направления по непрерывной обработке сигналов от частотных датчиков. С помощью аналогичного принципа преобразования можно, например, непрерывно определять производные более высокого порядка частоты, разности фаз и периода.

Список литературы

1. Авторское свидетельство СССР № 161417, Н03К 13/20. Способ измерения частоты [Текст] / С.С. Бруфман. - БИ № 7. - 1964.

2. Новицкий П.В. Цифровые приборы с частотными датчиками [Текст] / П.В. Новицкий, Е.Г. Кнор-ринг, В.С. Гутников. - Л.: Энергия, 1970. - С. 230.

3. Авторское свидетельство СССР № 1112551, Н03К 13/20. Преобразователь частоты в код [Текст] / С.Л. Сироткин, В.В. Клименко, В.А. Гаманко, Н.Д. Леонидов. - БИ № 33. - 1984.

4. Авторское свидетельство СССР № 1251329, кл. Н03М 1/60. Преобразователь частоты импульсов в код [Текст] / С.Л. Сироткин, А.Н. Коньков,

B. В. Клименко. - БИ № 30. - 1986.

5. Авторское свидетельство СССР № 1410276, Н03М 1/60. Преобразователь частота - код [Текст]/

C. Л. Сироткин, А.Н. Коньков, В.В. Клименко, П.Б. Галунов. - БИ № 26. - 1988.

6. Авторское свидетельство СССР № 1229959, кл. Н03М 1/60. Преобразователь частота - код [Текст] / С.Л. Сироткин, А.Н. Коньков, В.В. Клименко, П.Б. Галунов. - БИ № 17. - 1986.

7. Авторское свидетельство СССР № 1418906, Н03М 1/60. Преобразователь частоты в код [Текст] / С.Л. Сироткин, А.Н. Коньков, В.В. Клименко, А.В. Бойченко. - БИ № 21. - 1988.

8. Авторское свидетельство СССР № 1411975, Н03М 1/60. Преобразователь частоты в код [Текст] / С.Л. Сироткин, А.Н. Коньков, В.В. Клименко, А.В. Бойченко. - БИ № 27. - 1988.

9. Авторское свидетельство СССР № 1179545, кл. Н03М 5/10. Преобразователь частоты в код [Текст] / С.Л. Сироткин, В.В. Клименко, В.А. Гаманко, А.Н. Коньков. - БИ № 34. - 1985.

10. Авторское свидетельство СССР № 1330760, Н03М 1/60 Преобразователь частота - код [Текст] / С.Л. Сироткин, А.Н. Коньков, В.В. Клименко,

A. В. Бойченко. - БИ № 30. - 1987.

11. Авторское свидетельство СССР № 1305857, Н03М 1/60 Преобразователь частоты в код [Текст] / С.Л. Сироткин, А.Н. Коньков, Ю.А. Куликов,

B. В. Клименко. - БИ № 15. - 1987.

12. Авторское свидетельство СССР № 1398101, Н03М 5/10. Преобразователь двух частот в код

96

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3, т. 10, 2014

Metrology and information-measuring devices

[Текст] / С.Л. Сироткин, В.В. Клименко, А.Н. Коньков, А.С. Державин. - БИ № 19. - 1988.

References

1. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 161417, N03K 13/20. Sposob izmerenija chastoty [Tekst] / S.S. Bruf-man. - BI № 7. - 1964.

2. Novickij P.V. Cifrovye pribory s chastotnymi datchikami [Tekst] / P.V. Novickij, E.G. Knorring, V.S. Gutnikov. - L.: Jenergija, 1970. - S. 230.

3. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1112551, N03K 13/20. Preobrazovatel' chastoty v kod [Tekst] /

S.L. Sirotkin, V.V. Klimenko, V.A. Gamanko, N.D. Leonidov. - BI № 33. - 1984.

4. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1251329, kl. N03M 1/60. Preobrazovatel' chastoty impul'sov v kod [Tekst]/ S.L. Sirotkin, A.N. Kon'kov, V.V. Klimenko. -BI № 30. - 1986.

5. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1410276, N03M 1/60. Preobrazovatel' chastota - kod [Tekst] / S.L. Sirotkin, A.N. Kon'kov, V.V. Klimenko, P.B. Galunov. - BI № 26. - 1988.

6. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1229959, kl. N03M 1/60. Preobrazovatel' chastota - kod [Tekst] / S.L. Sirotkin, A.N. Kon'kov, V.V. Klimenko, P.B. Galunov.- BI № 17. - 1986.

f

Евстафьев А.И.

Evstafev A.I.

аспирант кафедры «Информационноизмерительная техника»

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

7. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1418906, N03M 1/60. Preobrazovatel' chastoty v kod [Tekst] / S.L. Sirotkin, A.N. Kon'kov, V.V. Klimenko, A.V. Bojchenko. - BI № 21. - 1988.

8. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1411975, N03M 1/60. Preobrazovatel' chastoty v kod [Tekst] / S.L. Sirotkin, A.N. Kon'kov, V.V. Klimenko, A.V. Bojchenko. - BI № 27. - 1988.

9. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1179545, kl. N03M 5/10. Preobrazovatel' chastoty v kod [Tekst] / S.L. Sirotkin, V.V. Klimenko, V.A. Gamanko, A.N. Kon'kov. - BI № 34. - 1985.

10. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1330760, N03M 1/60. Preobrazovatel' chastota-kod [Tekst] / S.L. Sirotkin, A.N. Kon'kov, V.V. Klimenko, A.V. Bojchenko. - BI № 30. - 1987.

11. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1305857, N03M 1/60 Preobrazovatel' chastoty v kod [Tekst] / S.L. Sirotkin, A.N. Kon'kov, Ju.A. Kulikov, V.V. Klimenko. - BI № 15. - 1987.

12. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1398101, N03M 5/10. Preobrazovatel' dvuh chastot v kod [Tekst] / S.L. Sirotkin, V.V. Klimenko, A.N. Kon'kov, A.S. Derzhavin. - BI № 19. - 1988.

Ураксеев М.А.

Urakseev M.A.

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа

УДК 535-4

ПРИМЕНЕНИЕ МАТРИЦ ДЖОНСА ДЛЯ ОПИСАНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА В МАГНИТООПТИЧЕСКОМ ДАТЧИКЕ ТОКА

В статье рассматривается применение матричного метода Джонса для описания различных состояний поляризации волны света и определения ее результирующей интенсивности при прохождении

Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 10, 2014

97