Патент на изобретение №2260830

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ

(57) Реферат:

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технике измерения интервалов времени, например времени задержки одного импульса относительно другого.

Уровень техники

Для измерения интервалов времени применяются устройства, принцип действия которых основан на подсчете числа импульсов стабильной частоты, выработанных в течение измеряемого интервала времени. Общеизвестно устройство для измерения интервала времени [1], включающее опорный генератор импульсов, нагруженный на один вход элемента И, другой вход которого связан с выходом триггера, а выход подключен к входу счетчика импульсов. Входы триггера при этом являются входами сигналов начала и окончания измеряемого интервала. В течение измеряемого интервала t_X при частоте импульсов опорного генератора f_O на счетчик импульсов поступает N_X=f_Ot_X импульсов, то есть результат измерения в цифровом виде пропорционален значению измеряемого интервала времени. Такое устройство способно измерять однократные интервалы времени и отличается высокой производительностью, так как момент образования результата совпадает с моментом окончания измеряемого интервала времени. Однако точность известного устройства ограничена шагом квантования времени, равным периоду импульсов опорного генератора.

Известно устройство для измерения интервала времени [2], включающее, кроме последовательно соединенных опорного генератора импульсов, элемента И и счетчика импульсов, а также триггера, выходом соединенного с оставшимся входом элемента И, последовательную цепь элементов задержки, подключенную к выходу опорного генератора импульсов. Выходы всех элементов задержки через соответствующие дополнительные элементы И, вторые входы которых подключены к выходу триггера, и соответствующие триггеры присоединены к входам шифратора. На выходах шифратора в процессе измерения образуются значения младших разрядов результата измерения. В данном устройстве с помощью последовательной цепи элементов задержки образована субшкала отсчета времени с меньшим шагом квантования времени, за счет чего повышается точность измерения интервала времени. Однако данный аналог имеет погрешность, связанную со старт-стопным режимом работы опорного генератора. В таком режиме не может работать точный кварцевый генератор, а в релаксационном генераторе трудно обеспечить высокую точность и стабильность опорной частоты. Дополнительную погрешность вносят элементы задержки, времена задержки которых могут различаться ввиду технологического разброса.

Известно также устройство для измерения интервала времени, использующее способ нониусной оценки погрешности несовпадения начала и окончания интервала с основными опорными импульсами [3]. Данный аналог содержит основной опорный генератор стабильной частоты и два старт-стопных генератора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Цепи автоподстройки обеспечивают небольшое строго фиксированное отличие частоты обоих старт-стопных генераторов от основной опорной частоты. Благодаря тому, что первый генератор с ФАПЧ запускается в момент начала измеряемого интервала, а второй генератор с ФАПЧ – в момент окончания этого интервала, количество импульсов этих генераторов до их совпадения по фазе с основными опорными импульсами позволяет с высокой точностью определить временное положение моментов начала и окончания интервала внутри периода основных опорных импульсов. Таким образом, данное устройство имеет высокую точность измерения. Однако процесс нониусной оценки занимает много времени уже по окончании измеряемого интервала, что ограничивает функциональные возможности устройства. Другим недостатком этого аналога является его сложность.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для формирования интервала времени [4]. Устройство-прототип содержит мультифазный генератор импульсов, выходами соединенный с соответствующими информационными входами регистра, тактовый вход которого подключен к входному зажиму запускающего сигнала, а выходы – к входам шифратора, а также сумматор и счетчик импульсов. При этом все выходы шифратора и первый выход регистра присоединены к соответствующим входам первого слагаемого сумматора. В устройстве-прототипе имеются также логические узлы для обеспечения формирования интервала времени.

Данное устройство может использоваться для измерения периодически повторяющегося интервала времени по способу уравновешивания, при котором длительность формируемого интервала периодически сравнивается с измеряемым интервалом времени и с помощью цепи обратной связи, включающей реверсивный счетчик импульсов, подстраивается до совпадения с измеряемых интервалом. Состояние выходов реверсивного счетчика импульсов по окончании процесса подстройки отражает длительность измеряемого интервала. При высокой точности измерения такое устройство имеет низкое быстродействие, так как требует многократного повторения измеряемого интервала, что является его недостатком.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является ускорение процесса измерения однократных интервалов времени при сохранении высокой точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что с помощью мультифазного генератора импульсов фиксируется положение моментов начала и окончания измеряемого интервала времени внутри опорного периода, равного периоду мультифазного генератора импульсов, и вычисляется их разность. Импульсы на множестве выходов мультифазного генератора импульсов образуют субшкалу отсчета времени при измерении интервала, которая используется наравне с основной шкалой, образованной опорным периодом.

Перечень фигур чертежей

На чертеже представлена электрическая функциональная схема устройства для измерения интервала времени согласно настоящему изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Как и в устройстве-прототипе, мультифазный генератор 1 импульсов может быть выполнен в виде инвертора, охваченного обратной связью через секционированную линию задержки, которой может служить последовательная цепь из 2^n-1 электронных элементов задержки. Выходы указанных элементов задержки образуют множество 2^n-1 выходов мультифазного генератора 1 импульсов с фазовым сдвигом от 0 до ⁿ

Первый 6 и второй 7 шифраторы преобразуют поступающие с выходов регистров 2 и 3 цифровые комбинации вида (m=2^n-1, а а_iⁿ

Устройство для измерения интервала времени работает в следующем порядке.

В исходном состоянии триггер 13 взведен и запрещает работу счетчика 12 импульсов. Мультифазный генератор 1 импульсов непрерывно вырабатывает периодически повторяющиеся импульсы на своих 2^n-1 выходах. Импульс на каждом следующем выходе задержан относительно импульса на предшествующем выходе на величину кванта времени Т₀/2ⁿ, где T₀ – период импульсов на каждом выходе мультифазного генератора 1 импульсов.

В момент поступления фронта импульса на входной зажим 5 сигнала начала измеряемого интервала триггер 13 сбрасывается и счетчик 12 импульсов переходит в рабочий режим. В тот же момент времени во второй регистр 3 записывается двоичный код текущего состояния выходов мультифазного генератора 1 импульсов, который поступает на второй шифратор 7. Логический уровень с первого выхода регистра 3 и логические уровни с выходов шифратора 7 образуют прямой n-разрядный двоичный код, отражающий положение фронта сигнала начала измеряемого интервала внутри основного опорного периода. Этот код блоком 9 инверторов путем поразрядной инверсии преобразуется в обратный код отрицательного числа. Импульсы с первого выхода мультифазного генератора 1 импульсов начинают поступать на счетный вход счетчика 12 импульсов.

В момент поступления фронта импульса на входной зажим 4 сигнала окончания измеряемого интервала триггер 13 возвращается в исходное взведенное состояние, при этом достигнутое счетчиком 12 импульсов состояние переписывается в третий регистр 10, а сам счетчик 12 импульсов обнуляется. В тот же момент времени в первый регистр 2 записывается двоичный код текущего состояния выходов мультифазного генератора 1 импульсов, который поступает на первый шифратор 6. Логический уровень с первого выхода регистра 2 в совокупности с выходными логическими уровнями шифратора 6 образуют прямой n-разрядный двоичный код, отражающий положение фронта сигнала окончания измеряемого интервала внутри основного опорного периода.

На вход первого слагаемого А сумматора 8 поступает N-разрядное число, образованное старшими n₁ разрядами кода с выходов счетчика 12 импульсов, зафиксированного третьим регистром 10, и младшими n₂ разрядами с соответствующих выходов первого регистра 2 и первого шифратора 6. На вход второго слагаемого В сумматора 8 поступает N-разрядное число, образованное старшими n₁₂₀/2ⁿ.

По спаду импульса на входном зажиме 4 окончания измеряемого интервала времени четвертый регистр 14 с инверсным динамическим управлением фиксирует двоичное число, получившееся на выходах сумматора 8, как результат измерения интервала времени.

Литература

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т., Т.2. – М.: Мир, 1986, с.372, рис.14.29а.

2. Шляндин В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. – М.: Высшая школа, 1973, с.170, рис.3.20.

3. Чу и Фергюсон. Генераторы импульсов с разрешением 20 пс. – Электроника, 1977, №23, с.25-34, рис.8.

4. Устройство для формирования интервала времени. – Патент РФ №2173934, МПК 7 H 03 К 5/04.

Формула изобретения

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 23.03.2006

Извещение опубликовано: 20.03.2007 БИ: 08/2007