Измеритель частоты

Измеритель частоты

Реферат

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в измерительно-вычислительных комплексах для преобразования в цифровой код частоты следования импульсов сигналов датчиков. Сущность изобретения: устройство содержит программируемые счетчики импульсов 1, 2, входящие в состав микросхемы 3, генератор тактовых импульсов 4, регистр 5, двунаправленные приемопередатчики 6, входной и выходной регистры 7, 8, блок управления 9 с соответствующими связями, причем элементы 5, 6, 7, 8, объединены в микропроцессорный блок 10. 3 ил.

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано в измерительно-вычислительных комплексах и информационно-измерительных системах для преобразования в цифровой код частоты следования импульсных сигналов от датчиков усилий, давлений и других физических параметров.

Известно устройство для измерения частотно-временных параметров электрических сигналов, обладающее хорошими метрологическими характеристиками и широкими функциональными возможностями. Устройство содержит группу элементов И, первый и второй счетчики импульсов, блок сравнения кодов, микропроцессор, три триггера, элемент ИЛИ, а также дополнительно два элемента ИЛИ, два триггера, три элемента И. Однако широкие функциональные возможности измерителя достигаются путем чрезвычайного усложнения его устройства, а метрологические характеристики не оптимальны к условиям эксперимента по точности и быстродействию [1].

Известно устройство, позволяющее измерять частоты в широком диапазоне с малой погрешностью дискретности, максимальное значение которой остается постоянным во всем диапазоне измерений. Устройство содержит входной блок, формирователь импульсов, временной селектор, счетчик, генератор счетных импульсов, временной селектор, счетчик, микропроцессорную систему, блок формирования и управления, а также логические элементы И₁, И₂, НЕ, относящиеся к блоку формирования и управления, но изображенные вне его в целях наглядности [2]. Это устройство принято за прототип.

Однако в известном устройстве измерение частоты происходит за фиксированный интервал времени, хотя и задаваемый программно микропроцессором. Причем, для повышения точности измерения частоты первый мерный интервал задается программно, а второй формируется блоком управления и формирования в точности равным целому числу периодов измеряемой частоты. Счетчики подсчитывают число периодов измеряемой и эталонной частот за время, равное второму временному интервалу и передают результат измерения в микропроцессор. Формирование двух временных интервалов усложняет схему устройства, а измерение частоты за фиксированный мерный интервал приводит к невозможности ее измерения в широком диапазоне с точностью и быстродействием оптимальными к условиям эксперимента.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых частот при заданной оптимальной точности.

Цель достигается тем, что в измерителе частоты, содержащем первый и второй счетчики импульсов, генератор тактовых импульсов, блок управления, микропроцессорный блок, выход которого подключен к первому входу блока управления, а первая группа информационных входов подключена к информационным выходам первого и второго счетчиков импульсов, содержащем также входную шину, счетчики импульсов выполнены программно управляемыми с возможностью выбора адреса, выбора микросхем, предустановки кода и раздельного управления записью и чтением, а первая группа информационных входов микропроцессорного блока выполнена двунаправленной, причем, входы разрешения счета первого и второго счетчиков импульсов подключены к первому выходу блока управления, второй выход которого подключен к счетному входу первого счетчика импульсов, выход переноса которого подключен ко второму входу блока управления и входу микропроцессорного блока, первая группа информационных входов которого подключена к информационным входам первого и второго счетчиков импульсов, входы управления записью, чтением, выбора адреса, выбора микросхем которых подключены ко второй группе информационных выходов микропроцессорного блока, входная шина подключена к третьему входу блока управления, а генератор тактовых импульсов подключен к счетному входу второго счетчика импульсов.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого измерителя частоты; на фиг.2 - схема блока управления 9; на фиг.3 - блок-схема программы измерителя частоты.

Измеритель частоты (фиг.1) содержит программируемые счетчики 1,2, входящие в состав микросхемы 3, генератор 4 тактовых импульсов, регистр управления 5, двунаправленные приемопередатчики 6, входной регистр 7 и выходной регистр 8, выполненные на стандартных элементах, а также блок управления 9 и входную шину. Регистр управления, двунаправленные приемопередатчики, входной и выходной регистры, а также внешний процессор объединены в микропроцессорный блок 10.

Измеряемая частота t_х в предлагаемом устройстве подается на третий вход ВХ1 схемы управления по входной шине. Первый выход блока управления НС (начало счета) подключен к входам Р1 и Р2 (разрешение счета) обоих счетчиков. Второй выход блока управления ИЧ (измеряемая частота) подключен к счетному входу ТИ2 (тактовая частота) первого счетчика. К счетному входу второго счетчика ТИ1 подключен выход ВЫХ генератора тактовых импульсов. Выход переноса ВЫХ1 первого счетчика подключен ко второму входу блока управления КС (конец счета), а также входу ГОТ (готовность) микропроцессорного блока. Первая группа входов микропроцессорного блока выполнена двунаправленной и подключена к информационным входам Д первого и второго счетчиков импульсов. Вторая группа информационных входов микропроцессорного блока подключена к входам управления записью (ЗП), чтением (ЧТ), выбором адреса (А₀, А₁), выбором микросхемы (ВМ) первого и второго счетчиков.

Программируемые счетчики 2,1, образцовой f_o и измеряемой f_x частот выполнены на микросхеме КР580ВИ53, представляющей трехканальный таймер-счетчик (см. Отраслевой стандарт Руководство по применению ОСТ 11.348.917-82, с.62, П.В.Нестеров, Микропроцессоры.: Высшая школа, 1986 г, т.1, стр.206, Кварцевый генератор 4 тактовой частоты f₀=8 МГц выполнен на микросхеме К155ЛАЗ по стандартной схеме (см. Отраслевой стандарт. Руководство по применению ОСТ 11.340.909-80, часть I, с.272а). Регистр управления 5 и выходной регистр 8 выполнены на микросхемах К589Ир12. Приемопередатчик 6 на восемь разрядов выполнен на двух микросхемах К589АП16. Входной шестнадцатиразрядный регистр 7 выполнен на микросхемах К155ТМ7 (см.каталог интегральных микросхем т2, цкб 1986 г). Схема управления 9 (фиг.2) выполнена на микросхемах К155ТМ2, К155ЛАЗ, К155ЛЕ1 по стандартной схеме.

Измеритель частоты работает следующим образом.

С помощью регистра управления 5, в который через входной регистр 7 и приемопередатчики 6 от внешнего процессора записывается соответствующий код, подается команда ПУСК на схему управления 9. Схема управления 9 осуществляет привязку момента начала заполнения счетчика 2 тактовой частоты к фронту измеряемой частоты f_x и вырабатывает команду "начало счета". Оба счетчика 1 и 2, запрограммированные в соответствии с циклом измерения, одновременно начинают счет и работают на вычитание. По окончании счета на выходе счетчика 1 устанавливается сигнал "конец счета", блокирующий через схему управления 9 поступление тактовой и измеряемой частот в соответствующие счетчики. Сигнал "конец счета" является командой готовности ГОТ, по которой данные результаты измерения со счетчика 2 по команде "чтение данных" ЧТ через приемопередатчики 6 и выходной регистр 8 считываются во внешний процессор. Приведение схемы управления 9 в исходное состояние осуществляется командой СБРОС в каждом цикле измерения.

Усреднение результата измерения частоты f_x осуществляется за время t_х, равное длительности n_х импульсов измеряемой частоты. Время измерения t_х и период измеряемой частоты Т_х определяются по числу импульсов измеряемой n_х и тактовой n_о частоты и известному значению тактовой частоты f_o= из соотношений t_x=n_xT_x=n_oT_o; (1) t_x= T_o. (2) Число импульсов n_o фиксируется в счетчике 2, а число импульсов n_x в счетчике 1. Относительная погрешность измерения периода Т_х, обусловленная погрешностью квантования, определяется соотношением T_x= + , (3) где _г - погрешность генератора образцовой частоты, которой можно пренебречь.

Соотношения (1) и (3) показывают принципиальную возможность оптимизации измерителя частоты по точности и быстродействию путем выбора числа периодов измеряемой частоты. Для обеспечения требуемого быстродействия в заданном диапазоне частот измерение производится в один цикл, а число периодов n_х, по которым производится усреднение, выбирается из соотношения (1) и программно заносится в счетчик 1. Для обеспечения требуемой точности измерения в заданном диапазоне частот измерения так же производятся в один цикл, а число периодов n_х, по которым производится усреднение, выбирается из соотношения (3) и программно заносится в счетчик 1. Для оптимизации измерителя по точности и быстродействию и обеспечения заданных величин погрешности и быстродействия, близких к принципиально возможным и постоянным в широком диапазоне частот измерение частоты производится в два цикла. В первом цикле измерения программируется минимальное число периодов n_х для получения грубой оценки текущего значения f_х, а во втором цикле для получения повышенной точности и быстродействия программируется оптимальное число периодов, определяемое из соотношений (1) и (3) при условии n_xT_x = const.

Процесс программирования счетчиков начинается с записи от внешнего процессора управляющего слова данных ЗП.Д, определяющего режим работы счетчика. Для этого на адресный вход микросхемы подается код, соответствующий адресу счетчика, на вход ВМ подается сигнал выбора микросхемы, на вход ЗП - сигнал записи управляющего слова. Аналогичным образом производится запись в счетчик 1 слова данных ЗП.Д, определяющего число периодов измеряемой частоты n_х и запись в счетчик 2 слова данных, определяющего максимально возможный счет на вычитание.

Данное устройство обеспечивает измерение частоты как в узком, так и широком диапазоне частот при заданных оптимальных к условиям эксперимента точности и быстродействии.

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий первый и второй счетчики импульсов, генератор тактовых импульсов, блок управления, микропроцессорный блок, выход которого подключен к первому входу блока управления, а первая группа информационных входов подключена к информационным выходам первого и второго счетчиков импульсов, содержащий также входную шину, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемой частоты при заданной оптимальной точности, счетчики импульсов выполнены программно управляемыми с возможностью выбора адреса, выбора микросхемы предустановки кода и раздельного управления записью и чтением, а первая группа информационных входов микропроцессорного блока выполнена двунаправленной, причем входы разрешения счета первого и второго счетчиков импульсов подключены к первому выходу блока управления, второй выход которого подключен к счетному входу первого счетчика импульсов, выход переноса которого подключен к второму входу блока управления и входу микропроцессорного блока, первая группа информационных входов которого подключена к информационным входам первого и второго счетчиков импульсов, входы управления записью, чтением, выбора адреса, выбора микросхемы которых подключены к второй группе информационных выходов микропроцессорного блока, входная шина подключена к третьему входу блока управления, а генератор тактовых импульсов подключен к счетному входу второго счетчика импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3