Устройство цифрового преобразования интервалов времени

Устройство цифрового преобразования интервалов времени

Реферат

 

Применение: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в автоматике и телеметрических системах. Устройство содержит: 1 N-тактовый генератор 1 эталонной последовательности, 2 блока элементов И 2, 6, 1 блок элементов 2И 3, 2 D-триггера 4, 8, 1 счетчик импульсов 5, 1 мажоритарный элемент 9, 1 формирователь импульсов по спаду 10. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, измерению временных интервало,в и может быть использовано в автоматике и телеметрических системах.

Известен многоканальный измеритель временных интервалов (а.с. N 1328788, кл. G 04 F 10/04) в составе счетчиков времени, ЗУ, регистров, шифратора, коммутатора, дешифратора, элемента И-ИЛИ, измерительных шин, шины счетных импульсов, шины считывания и выходных шин.

Недостаток данного устройства автономность измерительных входных шин ограничивает область применения.

Известно устройство для измерения временных интервалов (а.с.N 1357914, кл. В 04 F 10/04) в составе опорного генератора, ключа, счетчика импульсов, входных и выходных шин, RS-триггера, n буферных каскадов, n блоков задержки, n блоков синхронизации.

Снижение погрешности начала преобразования связано с необходимостью увеличения частоты тактовых импульсов опорного генератора, что ограничивает область применения.

Известно устройство преобразования временных интервалов (З.И.Гитис. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. М. Энергия, 1975, с.249, рис.6-5) в составе генератора тактовых импульсов, счетчика, триггеров, элементов совпадения, линии задержки.

Отсутствие в техническом решении режима синхронизации при считывании данных о величине временного интервала снижает достоверность результатов и ограничивает область применения.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь интервалов времени в цифровой код (а.с. N 902249, Н 03 К 13/20, 1982) в составе многофазного генератора эталонной частоты, электронных ключей с памятью, N-тактного счетчика импульсов, многовходовых элементов ИЛИ-НЕ, RS-триггера, счетчика импульсов, входных шин СТАРТ и СТОП, выходных шин.

Возможность преобразования только однократных временных интервалов ограничивает область применения.

Цель изобретения расширение области применения при повышении точности преобразования произвольной последовательности временных интервалов.

Поставленная цель достигается тем, что в известный преобразователь в составе N-тактного генератора эталонной последовательности импульсов, двух входных шин, триггера, счетчика дополнтельно введены формирователь импульсов по спаду, блок из N элементов ИЛИ, блок триггеров "с защелкой", мажоритарный элемент, блок элементов И, второй D-триггер, элемент 2И-N ИЛИ, выход которого соединен с D-входом первого триггера и счетным входом второго D-триггера, а через мажоритарный элемент со входом счетчика, выход триггера является дополнительным выходом преобразователя и соединен со вторым входом мажоритарного элемента, причем выходы N-тактного генератора эталонной последовательности импульсов подключены к соответствующим информационным входам блока триггеров "с защелкой" и первым входам блока элементов ИЛИ, вторые входы каждого из элементов ИЛИ связаны с соответствующим последующим выходом, выходы счетчика через соответствующие входы блока элементов И связаны с соответствующими выходами выходной шины, вторые входы блока элементов И соединены через формирователь импульсов по спаду с входной шиной, подключенной к мажоритарному элементу, и выходом мажоритарного элемента.

Введение блока триггеров "с защелкой" обеспечивает синхронизацию начала преобразования с тактовыми импульсами таким образом, что погрешность привязки не превышает +T/N, где Т период следования тактовых импульсов. Определенная совокупность связей с генератором тактовой частоты исключает вероятность искажения результатов преобразования из-за переходных процессов при начале работы.

Введение блока из N элементов ИЛИ необходимо и достаточно для организации перекрывающихся сдвинутых импульсов генератора тактовых импульсов таким образом, что в совокупности с другими элементами исключается вероятность формирования ложных импульсов в процессе поступления сигнала о начале работы, что необходимо для организации погрешности преобразования не более +Т/N.

Введение элемента 2И-N ИЛИ перед счетчиком и соединение его определенным образом с выходами элементов ИЛИ необходимо и достаточно для уменьшения погрешности преобразования временных интервалов относительно начального сигнала, а также упрощает устройство: заменяются R-S триггер и два элемента ИЛИ-НЕ, создается новое качество уменьшение погрешности преобразования из-за асинхронности импульсов генератора и начала контролируемых интервалов. Получаемое качество обусловлено тем, что, если счетчик работает от положительных перепадов до подачи контролируемых сигналов, на входе счетчика поддерживается уровень логической"1". Этот исходный уровень формируется синхронной подачей на оба входа элемента 2И высокого уровня с каждого из выходов генератора эталонной частоты.

Введение второго D-триггера и связей его со счетчиком, мажоритарным элементом и блоком элементов 2И-N ИЛИ необходимо и достаточно для повышения достоверности случайной записи в счетчик в момент подачи сигнала начала преобразования, что обеспечивается момент подачи сигнала начала преобразования, что обеспечивается синхронной подачей рабочего фронта на счетные входы D-триггера и счетчика. Санкционированная задержка в срабатывании D-триггера исключает срабатывание счетчика, т.к. на его установочном обнуляющем входе продолжает действовать исходный уровень в момент подачи рабочего фронта и снимаемый после окончания рабочего фронта.

Введение блока элементов И и совокупности связей со счетчиком и формирователем импульсов по спаду необходимо и достаточно для достоверного формирования на выходной шине цифрового кода, идентифицирующего величину временного интервала по входному сигналу относительно сигнала ПУСК, на определенный промежуток времени, что обеспечивается сформированным импульсом на вторых входах после окончания переходных процессов в счетчике.

Введение формирователя импульсов по спаду и совокупности связей необходимо и достаточно для синхронного формирования кода идентификатора временного интервала на выходной шине без искажений с высокой достоверностью, что обеспечивается формированием сигнала на входах блока элементов И между рабочими фронтами последовательности счетных импульсов.

Известно применение (а.с. N 1357914) n блоков синхронизации для формирования аналогичного импульса, однако это потребовало введения n элементов задержки для достижения достоверных результатов преобразования.

Таким образом, совокупность введенных элементов и связей являются существенными признаками необходимыми и достаточными для достижения поставленной цели и получения нового качества преобразования, т.к. обеспечиваются в едином цикле преобразования последовательностей временных интервалов; реализуют синхронизацию эталонной последовательности импульсов с асинхронным началом контролируемого процесса в виде последовательности случайных временных интервалов в начале работы с погрешностью не более +Т/N; реализуют считывание результатов преобразования случайных величин последовательности, временных интервалов синхронно нерабочим фронтом эталонной последовательности импульсов, что повышает достоверность результатов и обеспечивает погрешность не более Т/2; достигнутое снижение погрешности преобразования получено без повышения частоты следования эталонной последовательности импульсов, что эквивалентно снижению тактовой в 2 раза при сохранении погрешности преобразования прототипа.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства (в качестве примера для 4-тактного генератора), на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие работу в начальный момент и при поступлении последующих импульсов.

Устройство цифрового преобразования последовательности интервалов времени содержит N-тактный генератор 1 эталонной последовательности импульсов, блок 2 элементов И, блок 3 элементов 2И-N, первый D-триггер 4, счетчик 5, блок 6 элементов И, блок 7 триггеров "с защелкой", второй D-триггер 8, мажоритарный элемент 9, формирователь импульсов по спаду 10, первый вход ПУСК стартового импульса, второй вход ВХ последовательности импульсов.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии триггер 4 установлен в состояние, при котором выходной сигнал обеспечивает установку счетчика 5 в нулевое состояние. Блок 7 находится в режиме транзитной передачи сигналов триггерами, что реализует на выходе блока 3 постоянный уровень, например, 1 (фиг.2.10). Исходный уровень выбирается исходя из условия: второй сформированный фронт на его выходе должен быть рабочим для счетчика 5.

Работа устройства начинается с момента ТО фиг.2.9 после подачи сигнала по входу ПУСК, которым обеспечивается фиксация уровней на выходах блока 7 триггеров "с защелкой". Как следует из фиг.2.1-4 уровень логической 1 имеется только на выходе фиг.2.2, что обеспечит формирование на выходе блока 3 импульсов генератора с фазой 2, т.к. уровни "0" по остальным выходам с блока 7 исключают передачу импульсов с другими фазами. В процессе подачи импульса по входу ПУСК и совпадении его с выходным потенциалом блока 3 на выходе мажоритарного элемента 9 может сформироваться ложный сигнал. В связи с тем, что триггер 4 поддерживает на обнуляющем входе счетчика 5 начальный уровень, возможный ложный сигнал на его входе в данном случае не регистрируется, т.е. не вносит искажения.

Первый импульс эталонной последовательности в счетчике 5 будет зафиксирован через период с погрешностью не более +0.Т/N, что подтверждает анализ эпюр фиг.2.2, 2.5, 2.6.

Последовательность импульсов по шине ВХ в общем случае может совпадать с одной из фаз импульсов на входе счетчика 5 фиг.2.10, 2.11. Совпадение с уровнем "1" (случай Т1, Т3) не приводит к изменениям эталонной последовательности фиг. 2.13. Сформированный формирователем импульсов по спаду 10, отрицательным перепадом эталонной последовательности идентифицирует на выходах состояние счетчика 5 на время не более 0,5Т. Совпадение с уровнем "0" (случай Т2) вызывает модуляцию фазы эталонной последовательности, т.к. в этом случае срабатывает D-триггер 8 фиг.2.10, на счетный вход которого подается входной сигнал, фиксирующий на третьем входе мажоритарного элемента 9 лог. "1". Последнее и является причиной модуляции.

Рассмотрим вносимые искажения в результаты преобразования при подаче импульсов-идентификаторов временных интервалов относительно сигнала ПУСК: совпадение с фазой (0.П), т.е. после рабочего фронта в момент времени Т1,Т3. Как следует из эпюр фиг.2.10, 2.13 ошибка составляет 0.Т/2, совпадение с фазой (П.2П), т.е. до рабочего фронта в момент времени Т2. Как следует из эпюр фиг.2.10, 2.13 в данном случае имеет место модуляция рабочего фронта, т.е. запись в счетчик сигнала раньше рабочего фронта эталонной последовательности на время 0 Т/2. Следовательно, в этом случае ошибка не более + 0 Т/2.

Следовательно, погрешность преобразования временных интервалов относительно начального сигнала лежит в пределах минус Т/N +T/2.

Индикация цифрового кода соответствующего данному временному интервалу выполняется блоком 6 элементов И сигналом формирователя 10 импульсов по спаду. Данный сигнал фиг.2.14 длительностью менее Т/2 формируется первым отрицательным перепадом на выходе мажоритарного элемента 9 относительно начала соответствующего входного сигнала ВХ фиг.2.11. Так для интервала Т1 индицируется двоичное число "3", для интервала Т2 число "6", для интервала Т3 число "8", (т.е. по числу посчитанных импульсов фронтов счетчиком 5 фиг.2.

Таким образом, технико-экономический эффект от совокупности введенных элементов и связей определяется: преобразованием произвольной последовательности временных интервалов единым счетчиком в едином цикле, достоверностью результатов преобразования, определяемой надежностными характеристиками используемых элементов для реализации, малым объемом составляющих и связей, что снижает энергоемкость и определяет сверхсуммарный положительный эффект.

Цифровой преобразователь последовательности временных интервалов был выполнен на современной отечественной элементной базе ИС серии 564 и проверено в действующих макетах в диапазоне температур минус 40 +50^oС. Экспериментальные исследования на макетах подтвердили: работоспособность введенных элементов и связей в режиме предельно-допустимых условий для последовательности импульсов интервалов времени, высокую достоверность результатов преобразования, вероятность ложной тревоги определялась только надежностью элементов. Выполнение схемы с использованием генератора эталонной последовательности из состава телеметрической системы и организация на его базе 4-х тактной последовательности импульсов с частотой следования 2 мГц и 1 кГц позволило проверить эффективность предложенного алгоритмам и его реализации в различных диапазонах времени. В сравнении с классическими решениями предложенное устройство обеспечит работу с тактовой частотой в 2 раза ниже при сохранении метрологических характеристик в существующей телеметрической системе, где при наличии генератора эталонной частоты многофазный генератор выполняется на основе 4-х разрядного регистра сдвига. Ток потребления существенно снизился до 30% для преобразователя на 2 мГц и до 10% для 1 кГц.

Формула изобретения

Устройство цифрового преобразования интервалов времени, содержащее N-тактный генератор эталонной последовательности импульсов, триггер, счетчик, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения при повышении точности преобразования произвольной последовательности временных интервалов, дополнительно введены блок элементов "N" 2И, формирователь импульсов по спаду, блок из N элементов ИЛИ, блок триггеров "с защелкой", мажоритарный элемент, D-триггер, элемент 2И "N" ИЛИ, выход которого связан со счетным входом D-триггера, D-входом триггера и через вход мажоритарного элемента подключен к счетному входу счетчика и формирователя импульсов по спаду, выход которого соединен с первыми входами блока элементов "N" 2И, а выходы счетчика через соответствующий вход этого блока с соответствующим выходом преобразователя, при этом второй вход формирователя импульсов по спаду соединен с другим входом мажоритарного элемента, второй вход устройства и через счетный вход триггера - с третьим входом мажоритарного элемента, кроме того, каждый выход N-тактного генератора через первые входы блока элементов N ИЛИ связан с первыми входами блока элементов 2И "N" ИЛИ, вторые входы которых через соответствующий элемент блока триггеров "с защелкой" с этим же выходом генератора, при этом вторые входы каждого элемента 2И блока элементов 2И подключены к предшествующему выходу N-тактного генератора, а первый вход преобразователя соединен с управляющим входом блока триггеров "с защелкой" и D-входом D-триггера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2