СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ ЧАСТОТ
METHOD OF MEASURING FREQUENCY RATIO

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения отношения частот периодических сигналов.
Известен способ измерения отношения частот двух сигналов, имеющих синусоидальную форму [Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. - М.: Высшая школа, 1989. - 383 с. с ил.]. Способ заключается в том, что сигналы преобразуются в фигуры Лиссажу, которые отображаются на экране осциллографа, путем подключения первого сигнала к горизонтальным отклоняющим пластинам ЭЛТ, а второго сигнала к вертикальным отклоняющим пластинам ЭЛТ. Изображение на экране осциллографа стабилизируется, если отношение частот первого и второго сигналов может быть выражено в целых числах.
Недостатком способа является узкая область его применения, т.к. фигуры Лиссажу появляются только, если отношение частот первого и второго сигналов может быть выражено в целых числах. Кроме того, возникают трудности определения значений целых чисел на экране осциллографа, когда целые числа велики, например при значениях больше 100.
Известен способ измерения отношения частот двух сигналов, являющийся прототипом предлагаемого изобретения [Орнатский, П.П. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые). - К.: Вища шк., 1986. - 504 с.]. Способ заключается в том, что подсчитывают целое число периодов частоты первого сигнала, получая первый код, уложившихся в целом числе периодов частоты второго сигнала, получая второй код, а отношение определяют путем деления первого кода на второй код.
1
1
1
1
2
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>Т</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Однако этот способ характеризуется большой максимальной относительной методической погрешностью дискретизации особенно на низких частотах. Абсолютное значение погрешности дискретизации при подсчете периодов одной частоты в течение измерительного интервала времени, который формируется из целого числа периодов второго сигнала, лежит в диапазоне (-Т…+Т), где T - период первой частоты. Таким образом, максимальная относительная погрешность дискретизации способа-прототипа будет равна
, где m - целое число периодов второй частоты, из которых сформирован измерительный интервал времени. Например, если F (первая частота) близка к 1000 Гц, a F (вторая частота) близка к 100 Гц, то за время измерения 1 с максимальная относительная методическая погрешность дискретизации будет равна 0,1%. Для уменьшения ее значения в 100 раз потребуется увеличить время измерения до 100 с.
Задачей (технический результат) предлагаемого изобретения является уменьшение максимальной относительной методической погрешности дискретизации при измерении отношения частот.
Поставленная задача решается следующим образом. Формируют из целого числа периодов частоты первого сигнала первый измерительный интервал времени, получая первый код, в течение которого подсчитывают целое число периодов частоты третьего сигнала, получая третий код, одновременно с этим формируют из целого числа периодов частоты второго сигнала измерительный интервал времени, получая второй код, в течение которого подсчитывают целое число периодов частоты третьего сигнала, получая четвертый код, при этом отношение частот первого и второго сигналов получают путем умножения первого кода на четвертый код, второго кода на третий код и делением первого произведения кодов на второе произведение кодов.
На фигуре 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство содержит:
Формирователи импульсов (Ф) 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.вых1 устройства управления 11 присоединен к входу отсчетного устройства 13.
Формирователи импульсов 1, 2 могут быть выполнены на основе компаратора, например МАХ9692 (производства MAXIM). В качестве ключей 3, 4, 5 и 6 могут быть использованы микросхемы МАХ14778 (производства MAXIM). Счетчики импульсов 7, 8, 9 и 10 могут быть выполнены, например, по традиционной схеме на триггерах МАХ9381 (производства MAXIM) либо содержатся в микроконтроллере устройства управления 11. В качестве микроконтроллера устройства управления 11 может быть выбрана схема, например, АТ32АР7000 (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
Способ осуществляется следующим образом. На вход формирователя импульсов 1 (см. фиг. 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.
На фигуре 2 представлена временная диаграмма работы устройства, реализующего предлагаемый способ.
Начиная с некоторого момента времени (на фигуре 2 обозначен линией с надписью «старт»), который задается устройством управления 11, устройство управления 11 сбрасывает показания счетчиков импульсов 7, 8, 9, 10 через импульсные выходы Uимп.вых1, Uимп.вых2, Uимп.вых5, Uимп.вых6 соответственно и ожидает прихода импульса на импульсный вход Uимп.вх1 и Uимп.вх2 с выхода формирователя импульсов 1 и формирователя импульсов 2 соответственно.
1
г
Пусть из ожидающих импульсов первым придет импульс 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 ожидаемого импульса 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 через импульсные выходы Uимп.вых3 и Uимп.вых7 разрывает ключи 3 и 5, соответственно. И после прихода очередного импульса с выхода формирователя импульсов 2 на импульсный вход Uимп.вх2 устройства управления 11, которое через импульсные выходы Uимп.вых4 и Uимп.вых8 разрывает ключи 4 и 6, соответственно.
1
2
Далее в устройстве управления 11 вычисляется 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
1
7
1
2
8
2
Из сути предлагаемого способа измерения отношения частот следует, что максимальная относительная методическая погрешность дискретизации образуется при подсчете числа импульсов, следующих с частотой F, за целое число периодов, следующих с частотой F (время счета, равное N·Т), и за целое число периодов, следующих с частотой F (время счета, равное N·T), на счетчиках импульсов 9 и 10 соответственно. Учитывая этот факт, можно записать
Тогда максимальная относительная методическая погрешность дискретизации будет равна
А в прототипе она равна
г
г
1
2
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 ГГц и более. Таким образом, выбирая время измерения, которое задается устройством управления 11, примерно равным 1 с, можно получить максимальную относительную методическую 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 сотен МГц. В то время как в прототипе максимальная относительная методическая погрешность дискретизации зависит от значений F и F, например, F=10 Гц, a N·T близко к 1 с, тогда максимальная относительная методическая погрешность дискретизации равна 10. При этом из формулы (3) следует, что результат отношения частот в предлагаемом способе не зависит от частоты F и ее стабильности, так как измерение частот F и F производится одновременно.
Таким образом, в предложенном способе может быть существенно снижена максимальная относительная методическая погрешность дискретизации по сравнению с прототипом.