ИНТЕРПОЛИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ В ЦИФРОВОЙ КОД
INTERPOLATES CONVERTER TIME INTERVAL IN THE DIGITAL CODE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике измерения интервалов времени, в частности к устройствам для преобразования длительности однократных импульсов в цифровой код.
Уровень техники
Для измерения интервалов времени применяются преобразователи время-код (ПВК), принцип работы которых основан на методе прямого счета импульсов опорного периода, укладывающихся в интервал времени [1]. Недостатки ПВК такого типа состоят в низком разрешении, равном опорному периоду, а также в погрешностях квантования, возникающих в начале и в конце преобразуемого интервала времени.
Повышенная точность цифрового измерения однократных интервалов времени достигается нониусным методом, при котором разрешение определяется разностью периодов основного и нониусного генераторов [2, 3]. Однако поскольку нониусная развертка занимает продолжительное время уже после окончания преобразуемого интервала, то нониусные ПВК имеют большое «мертвое» время и, следовательно, низкое быстродействие. Тот же недостаток свойствен и рециркуляционным ПВК, в которых импульс с длительностью измеряемого интервала циркулирует по кольцу и сокращается по длительности в каждом цикле до полного вырождения, а число циклов циркуляции подсчитывается [4].
Противоречие между точностью и производительностью традиционных ПВК разрешается применением фазовой интерполяции, предусматривающей образование дополнительных точек отсчета времени внутри опорного периода. Способ реализуется разными путями, в том числе с помощью кольцевых генераторов импульсов (КГ), которые естественным образом согласуют основную шкалу отсчета времени - опорный период с субшкалой отсчета, образуемой множеством выходов КГ. Представителем данного типа ПВК, наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для измерения интервала времени [5], выбранное за прототип.
Устройство-прототип содержит кольцевой генератор импульсов, множеством своих выходов связанный с информационными входами первого регистра, одним из выходов - с первым входом счетчика импульсов, выходы которого подключены к соответствующим информационным входам второго регистра. Цифровые выходы первого и второго регистров соединены с соответствующими цифровыми входами арифметического блока (сумматора), причем выход второго регистра присоединен непосредственно, а первого регистра - через первый шифратор. Устройство включает триггер, выходом присоединенный к второму входу счетчика импульсов, и входные зажимы сигналов «Старт» и «Стоп», а также третий регистр, нагруженный на соответствующий цифровой вход арифметического блока через второй шифратор, при этом входной зажим сигнала «Старт» подключен к одному входу триггера и тактовому входу первого регистра, а входной зажим «Стоп» - к другому входу триггера и тактовым входам второго и третьего регистров. Вывод результата преобразования осуществляется посредством четвертого регистра, информационные входы которого соединены с цифровым выходом арифметического блока, а тактовый вход - с входным зажимом сигнала «Стоп».
Недостатки устройства-прототипа заключаются в сложности его структуры и невысокой точности, связанной с нестабильностью опорного периода кольцевого генератора импульсов, что затрудняет практическое осуществление устройства на основе программируемой пользователем вентильной матрицы, не располагающей средствами управления периодом кольцевого генератора импульсов с целью его стабилизации.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения - повышение точности цифрового преобразования интервалов времени и упрощение структуры устройства, обеспечивающее его осуществление на основе программируемой пользователем вентильной матрицы.
Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения в него дополнительно введен блок контроля периода кольцевого генератора импульсов, цифровым выходом присоединенный к соответствующему цифровому входу арифметического блока, а сам кольцевой генератор импульсов снабжен входом блокировки, подключенным к первому входу триггера и через первый формирователь импульсов - к входному зажиму сигнала «Старт». При этом входной зажим сигнала «Стоп» через второй формирователь импульсов подключен к тактовым входам обоих регистров и второму входу триггера, а первый и второй входы блока контроля периода кольцевого генератора импульсов соединены соответственно с одним из выходов кольцевого генератора импульсов и с выходом триггера.
Блок контроля периода кольцевого генератора импульсов может строиться на основе делителя частоты, регистра и счетчика импульсов, первым входом соединенного с опорным генератором, а вторым входом совместно с тактовым входом регистра - с выходом делителя частоты, первый и второй входы которого служат соответственно первым и вторым входами блока контроля периода кольцевого генератора импульсов. При этом выходы регистра, у которого информационные входы присоединены к соответствующим выходам счетчика импульсов, являются цифровым выходом блока контроля периода кольцевого генератора импульсов.
Такое усовершенствование устройства позволяет устранить необходимость в стабилизации периода кольцевого генератора импульсов, который вместо этого непрерывно измеряется, а результат измерения используется для последующего вычисления значения преобразуемого интервала времени. Поскольку в кольцевом генераторе импульсов предусмотрен вход блокировки, обеспечивающий останов и последующий его запуск, то отпадает необходимость в ряде узлов, обеспечивающих съем информации о моментах «Старт» и «Стоп» «на лету» без останова генератора.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема интерполирующего преобразователя интервала времени в цифровой код.
Осуществление изобретения
Устройство содержит кольцевой генератор 1 импульсов, первый 2, второй 3 регистры, счетчик 4 импульсов, шифратор 5, первый 6 и второй 7 формирователи импульсов, входные зажимы 8, 9 сигналов соответственно «Старт» и «Стоп», триггер 10, блок 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов и арифметический блок 12.
Блок 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов в предпочтительном варианте осуществления может включать счетчик 13 импульсов, опорный генератор 14, регистр 15 и делитель 16 частоты. Делитель 16 частоты имеет два входа: первый вход для приема импульсов с подлежащей делению частотой, и второй вход, появление сигнала на котором блокирует работу делителя.
Кольцевой генератор 1 импульсов в данном варианте осуществления изобретения представляет собой соединенные в кольцо N управляемых элементов задержки, один из которых имеет инвертирующий выход для обеспечения необходимой для генерирования общей инверсной обратной связи. Каждый элемент задержки кроме основного сигнального входа снабжен входом запрета, поступление импульса на который устанавливает уровень логического «0» на его выходе. Такими элементами задержки в интегральной схеме могут служить вентили И.
X
Преобразованию подлежит интервал времени T между моментами поступления на входные зажимы 8 и 9 сигналов соответственно «Старт» и «Стоп». Устройство работает следующим образом.
D
В отсутствие входных сигналов кольцевой генератор 1 импульсов непрерывно вырабатывает на своих N выходах последовательности импульсов формы «меандр», смещенных относительно друг друга на время задержки его каскада t, период импульсов составляет
G
D
T=2Nt.
R
G
Импульсы с одного из выходов этого генератора поступают на вход блока 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов, где их период делителем 16 частоты умножается в D раз (D - модуль делителя 16 частоты). В результате на входе сброса R счетчика 13 импульсов образуются импульсы с длительностью T=DT/2, равной паузе между ними. В течение каждой паузы счетчик 13 импульсов заполняется импульсами опорного генератора 14, его содержимое за это время достигает значения
R
O
G
O
M=T/T=DT/2T,
O
где T - период импульсов опорного генератора 14. Таким образом, выполняется непрерывный контроль периода колебаний кольцевого генератора 1 импульсов, который определяется выражением
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>G</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>M</mi><msub><mi>T</mi><mi>O</mi></msub></mrow><mi>D</mi></mfrac></mrow>
.
Время задержки одного каскада кольцевого генератора 1 импульсов определяет шаг дискретизации времени в устройстве, оно равно
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>D</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>M</mi><msub><mi>T</mi><mi>O</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>N</mi><mi>D</mi></mrow></mfrac></mrow>
.
G
X
D
Сигнал «Старт», поступающий на входной зажим 8 и сокращенный по длительности формирователем 6, взводит триггер 10 и приводит кольцевой генератор 1 в исходное состояние нулей во всех его каскадах, после чего он возобновляет работу с «нулевой» фазы. Взведенный триггер 10 блокирует работу делителя 16 частоты в блоке 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов, а также разрешает работу счетчика 4 импульсов, его содержимое начинает получать единичные приращения с каждым периодом импульсов кольцевого генератора 1. Так продолжается до момента поступления сигнала «Стоп» на входной зажим 9, когда короткий импульс формирователя 7 сбрасывает триггер 10 и производит запись в первый регистр 2 термометрического кода с выходов кольцевого генератора 1 импульсов, а во второй регистр 3 - достигнутого к окончанию измеряемого интервала содержимого счетчика 4 импульсов. Это содержимое равно числу K полных периодов T кольцевого генератора 1 импульсов, укладывающихся на измеряемом интервале T. Термометрический код первого регистра 2 преобразуется шифратором 5 в обычный двоичный код, отражающий позицию сигнала «Стоп» внутри периода кольцевого генератора 1 импульсов в числе шагов дискретизации t. С этого момента возобновляется также работа блока 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов.
X
Таким образом, на цифровых входах арифметического блока 12 после окончания преобразуемого интервала оказываются числа: M - с выхода блока 11 контроля периода кольцевого генератора импульсов; K - с выхода второго регистра 3; n - с выхода шифратора 5. Арифметический блок 11 вычисляет значение интервала времени T по формуле
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>X</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">[</mo><mn>2</mn><mi>K</mi><mi>N</mi><mo>+</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">]</mo><mfrac><mrow><mi>M</mi><msub><mi>T</mi><mi>O</mi></msub></mrow><mrow><mi>N</mi><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>K</mi><mo>+</mo><mfrac><mi>n</mi><mi>K</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>M</mi><msub><mi>T</mi><mi>O</mi></msub></mrow><mi>D</mi></mfrac></mrow>
.
При осуществлении ПВК на программируемой пользователем вентильной матрице все его блоки могут быть размещены на одном кристалле. Возможен также вариант, когда роль арифметического блока 12 возлагается на внешний компьютер. В любом случае арифметические вычисления могут занимать длительное время. Поэтому целесообразно снабдить арифметический блок 12 входным регистром, тогда после фиксации чисел M, K, n ПВК готов к следующему циклу преобразования. В этом случае «мертвое» время между циклами преобразования не превышает суммарного времени записи в регистр 2 и преобразования термометрического кода в шифраторе 5. Поскольку период кольцевого генератора 1 импульсов непрерывно измеряется, и результат измерения участвует в вычислении значения интервала, то нет необходимости в стабилизации этого периода, что дает возможность построения ПВК в виде полузаказной интегральной схемы с сокращением затрат времени и средств.
Литература
1. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. - М.: Техносфера, 2006, 392 с.
2. Гурин Е.И., Дятлов Л.Е., Коннов Н.Н., Попов В.К., Севастьянов А.В. Нониусный измеритель временных интервалов на П.Л.И.С.- Приборы и техника эксперимента, 2004, №4, с. 44-48.
3. Нониусный преобразователь время-код. - Патент РФ №2446427, МПК G04F 10/04. Опубл. 27.03.2012.
4. Способ рециркуляционного преобразования коротких одиночных временных интервалов в цифровой код. - Патент РФ №2496130, МПК G04F 10/04. Опубл. 20.10.2013.
5. Устройство для измерения интервала времени. - Патент РФ №2260830, МПК G04F 10/04. Опубл. 20.09.2005 (прототип).