Патент на изобретение №2208797

(54) ПРЕЦИЗИОННЫЙ ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

(57) Реферат:

Использование: в системах, построенных на базе прецизионных частотно-импульсных измерителей. Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет формирования уравновешивающего сигнала, точного по амплитуде и по длительности, кратной периоду кварцевого генератора. Прецизионный частотно-импульсный измеритель содержит релейный элемент с гистерезисом, D-триггер, мостовую схему, стабилизатор тока, кварцевый генератор, первый и второй реверсивные счетчики, первый и второй регистры. Измерение параметра осуществляется путем формирования уравновешивающего сигнала, компенсирующего отклонение чувствительного элемента, и преобразования этого сигнала в прецизионную частотно-импульсную последовательность. 1 ил.

Изобретение относится к области электронной измерительной техники и может быть использовано в системах, построенных на базе прецизионных частотно-импульсных измерителей.

Известен частотно-импульсный измеритель [1], содержащий преобразователь напряжения в частоту, первый и второй делители частоты, преобразователь частоты в среднее значение постоянной величины, генератор, стабилизатор напряжения, триггер, коммутатор, первый, второй и третий ключи.

Недостаток этого известного частотно-импульсного измерителя в его сложности и низкой точности измерения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является прецизионный частотно-импульсный измеритель, содержащий датчик измеряемого параметра, блок широтно-импульсной модуляции, усилитель, кварцевый генератор, стабилизатор тока, первый, второй, третий и четвертый ключи, соединенные по мостовой схеме, первый и второй делители частоты.

Недостаток этого измерителя состоит в том, что он не обеспечивает высокой точности из-за невозможности формирования длительности выходного импульса блока широтно-импульсной модуляции, кратной периоду выходного сигнала кварцевого генератора.

Задача изобретения – повышение точности прецизионного частотно-импульсного измерителя.

Эта задача достигается тем, что в прецизионный частотно-импульсный измеритель, содержащий датчик измеряемого параметра, усилитель, кварцевый генератор, стабилизатор тока, первый и второй делители частоты, мостовую схему, образованную цепью из последовательно соединенных второго и первого ключей, параллельно которой включена вторая цепь из последовательно соединенных третьего и четвертого ключей, в диагональ мостовой схемы включена цепь формирования уравновешивающего сигнала датчика измеряемого параметра, выход которого соединен с входом усилителя, а выход стабилизатора тока соединен с входом мостовой схемы, дополнительно введены релейный элемент с гистерезисом, D-триггер, первый и второй реверсивный счетчики, первый и второй элементы И, первый и второй регистры, первый и второй одновибраторы, инвертор и сумматор, первый и второй неинвертирущие входы которого соединены соответственно с выходом усилителя и выходом второго делителя частоты, третий инвертирующий вход усилителя подключен к выходу первого делителя частоты, выход сумматора соединен с входом релейного элемента с гистерезисом, выход которого соединен с D-входом D-триггера, С-вход которого подключен к выходу кварцевого генератора и входу инвертора, соединенного своим выходом с первыми входами первого и второго элементов И, неинверсный выход D-триггера соединен с первой сигнальной шиной, вторым входом первого элемента И, С-входом записи первого регистра, входом первого одновибратора и входом управления второго и четвертого ключей мостовой схемы, инверсный выход D-триггера соединен со второй сигнальной шиной, вторым входом второго элемента И, С-входом записи второго регистра, входом второго одновибратора и входами управления первого и третьего ключей мостовой схемы, при этом С-вход первого делителя частоты соединен с выходом первого элемента И, с суммирующими входами первого и второго реверсивных счетчиков и входом параллельной записи РЕ второго делителя частоты, С-вход которого подключен к входу параллельной записи РЕ первого делителя частоты, выходу второго элемента и вычитающим входам первого и второго реверсивных счетчиков, R-входы которых соединены с выходом первого и второго одновибраторов соответственно, причем первый реверсивный счетчик, первый регистр и первая выходная шина, а также второй реверсивный счетчик, второй регистр и вторая выходная шина соединены последовательно.

На чертеже приведена блок-схема прецизионного частотно-импульсного измерителя. На этой схеме: 1 – датчик измеряемого параметра, 2 – усилитель, 3 – релейный элемент с гистерезисом, 4 – D – триггер, 5 – кварцевый генератор, 6, 7, 8, 9 – первый, второй, третий и четвертый ключи, 10 – стабилизатор тока, 11 – первый элемент И, 12 – второй элемент И, 13 – первая сигнальная шина, 14 – вторая сигнальная шина, 15 – мостовая схема, 16 – сумматор, 17 – первый реверсивный счетчик, 18 – второй реверсивный счетчик, 19 – первый регистр, 20 – второй регистр, 21 – первый делитель частоты, 22 – второй делитель частоты, 23 – первая выходная шина, 24 – вторая выходная шина, 25 – первый одновибратор, 26 – второй одновибратор, 27 – инвертор.

В прецизионном частотно-импульсном измерителе выход датчика измеряемого параметра 1 соединен со входом усилителя 2, выход которого подключен к первому неинвертирующему входу сумматора 16, соединенного последовательно с релейным элементом с гистерезисом 3, выход которого подключен к D-входу D-триггера 4, С-вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 5 и входом инвертора 27, соединенного своим выходом с первыми Входами первого 11 и второго 12 элементов И, неинверсный выход D-триггера 4 соединен с входами управления второго 7 и четвертого 9 ключей мостовой схемы 15, вторым входом первого элемента И 11, С-входом первого регистра 19, входом первого одновибратора 25 и первой сигнальной шиной 13, инверсный выход D-триггера 4 соединен со входами управления первого 6 и третьего 8 ключей мостовой схемы 15, второй сигнальной шиной 14, С-входом второго регистра 20, входом второго одновибратора 26 и вторым входом второго элемента И 12. Мостовая схема 15 образована цепью из последовательно соединенных второго 7 и первого 6 ключей, параллельно которой включена вторая цепь из последовательно соединенных третьего 8 и четвертого 9 ключей. В диагональ мостовой схемы 15 включена цепь формирования уравновешивающего сигнала датчика измеряемого параметра 1, вход мостовой схемы 15 соединен с выходом стабилизатора тока 10. Выход первого элемента И 11 соединен с суммирующими входами первого 17 и второго 18 реверсивных счетчиков, С-входом первого делителя частоты 21 и входом параллельной записи РЕ второго делителя частоты 22, С-вход которого соединен с выходом второго элемента И 12, вычитающими входами первого 17 и второго 18 реверсивных счетчиков и входом параллельной записи РЕ первого делителя частоты 21, выход которого соединен с третьим инвертирующим входом сумматора 16, второй неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго делителя частоты 22. Выходы первого 25 и второго 26 одновибраторов соединены с R-входами первого 17 и второго 18 реверсивных счетчиков соответственно. Первый реверсивный счетчик 17, первый регистр 19 и первая выходная шина 23, а также второй реверсивный счетчик 18, второй регистр 20 и вторая выходная шина 24 соединены последовательно.

Рассмотрим работу прецизионного частотно-импульсного измерителя на примере использования в качестве датчика измеряемого параметра акселерометра маятникового типа. В зависимости от измеряемого ускорения чувствительный элемент (маятник) акселерометра отклоняется и величина отклонения регистрируется датчиком. Если на вход акселерометра подавать сигнал, уравновешивающий отклонение чувствительного элемента, то величина этого сигнала (тока обратной связи I_ОС) будет в точности соответствовать значению измеряемого ускорения а, т.е.

а = kI_ОС, (1)
где k – масштабный коэффициент.

Пусть на акселерометр действует ускорение а. Под действием этого ускорения чувствительный элемент начинает отклоняться и выходной сигнал U_D датчика измеряемого параметра 1 поступает на вход усилителя 2, с выхода которого сигнал U поступает на первый неинвертирующий вход сумматора 16, а с его выхода сигнал U_s поступает на вход релейного элемента с гистерезисом 3. При достижении сигналом U_s значения h включается релейный элемент с гистерезисом 3 и его выходной сигнал U_Р=1 (высокий уровень) поступает на D-вход триггера 4. Импульсом с генератора 5 D-триггер 4 переводится в единичное состояние и его выходной сигнал U₊= 1 с неинверсного выхода поступает на вход управления второго 7 и четвертого 9 ключей мостовой схемы 15, первую сигнальную шину 13 и второй вход первого элемента И 11. С этого момента времени стабилизатор тока 10 формирует уравновешивающий сигнал I_ОС через открытые второй 7 и четвертый 9 ключи на вход датчика измеряемого параметра 1, а с выхода первого элемента И 11 импульсы f₊, формируемые генератором 5 и инвертором 27, поступают на суммирующие входы первого 17, второго 18 реверсивных счетчиков, С-вход первого делителя частоты 21 и вход параллельной записи РЕ второго делителя частоты 22. Ток обратной связи I_ОС направлен таким образом, чтобы препятствовать дальнейшему перемещению чувствительного элемента, и выбирается из условия I_ОС>I_макс, где I_макс – максимально возможное значение тока, соответствующего сигналу, уравновешивающему максимально возможное измеряемое ускорение a_макс.

С момента включения второго 7 и четвертого 9 ключей чувствительный элемент акселерометра начинает перемещаться в обратном направлении, выходной сигнал U_D датчика измеряемого параметра 1 уменьшается и при выходном сигнале усилителя 2U=-h (считаем, что коэффициент передачи сумматора по первому неинвертирующему входу равен единице) переключается релейный элемент с гистерезисом 3 и его выходной сигнал U_Р=0 переводит триггер 4 в нулевое состояние. Выходной сигнал триггера 4 с инверсного выхода U_=1 поступает на вход управления первого 6 и третьего 8 ключей мостовой схемы 15 и второй вход второго элемента И 12. С этого момента времени стабилизатор тока 10 формирует уравновешивающий сигнал I_ОС другого направления через открытые первый 6 и третий 8 ключи на вход датчика измеряемого параметра 1, а с выхода второго элемента И 12 импульсы f _– с генератора 5 поступают на вычитающие входы первого 17, второго 18 реверсивных счетчиков, С-вход второго делителя частоты 22 и вход параллельной записи РЕ первого делителя частоты 21. С этого момента времени чувствительный элемент акселерометра начинает перемещаться в обратном направлении, выходной сигнал U_D датчика измеряемого параметра 1 увеличивается и при выходном сигнале усилителя 2U=h переключается релейный элемент с гистерезисом 3 и его выходной сигнал U_Р=1 переводит триггер 4 в единичное состояние. Далее процесс переключения триггера 3 и формирования выходных сигналов f₊ и f_– повторяется аналогично уже описанному.

По переднему фронту сигнала U₊=1 производится запись информации первого реверсивного счетчика 17 в первый регистр 19 и формирование первым одновибратором 25 импульса обнуления по входу R первого реверсивного счетчика 17, по переднему фронту сигнала U_=1 производится запись информации второго реверсивного счетчика 18 во второй регистр 20 и формирование вторым одновибратором 26 импульса обнуления по входу R второго реверсивного счетчика 18. Выходной сигнал U₁ первого 21 и U₂ второго 22 делителей частоты равен единице (высокий уровень) в случае их переполнения и нулю (низкий уровень) в остальных случаях. Переполнение делителей частоты 21 и 22 происходит в случае, если на их С-вход поступает число импульсов N, соответствующее коду, записанному по входу параллельной записи РЕ. При переполнении первого делителя частоты 21 сигнал U₁=1, поступая на третий инвертирующий вход сумматора 16, переводит релейный элемент с гистерезисом 3 в нулевое состояние (U_Р=0). При переполнении второго делителя частоты 22 сигнал U₂=1, поступая на второй неинвертирующий вход сумматора 16, переводит релейный элемент с гистерезисом 3 в единичное состояние (U_Р=1).

Пусть Т₁ – время нахождения D-триггера 4 в единичном состоянии, Т₂ – время нахождения D-триггера 4 в нулевом состоянии, Т₀ – период следования импульсов F кварцевого генератора 5. Для интервала времени (T₁+T₂) справедливо соотношение
а(T₁+T₂) = kl_OC(T₁-T₂) (2)
или
аkl_OC(n₁-n₂)Т₀(T₁+T₂)^-1, (3)
где n₁ – число импульсов генератора 5 за время Т₁ (выходной сигнал f₊), n₂ – число импульсов генератора 5 за время Т₂ (выходной сигнал f_–). Таким образом, в соответствии с (3) измеряемый сигнал а на интервале времени (T₁+Т₂) определяется разностью числа импульсов (n₁-n₂), фиксируемой первым реверсивным счетчиком 17 и хранящейся в первом регистре 19 в течение следующего интервала времени (T₁+Т₂).

Пусть Т_1i – время непрерывного нахождения D-триггера 4 в единичном состоянии, T_2i – время непрерывного нахождения D-триггера 4 в нулевом состоянии, i= 1, 2, 3… – номер интервала Т_i=(Т_1i+T_2i). Введем обозначение Т_i0= (T_2i+Т_1(I+1)). В интервалы времени Т_i формируется информация об измеряемом параметре в первом реверсивном счетчике 17 и хранится в первом регистре 19 в течение времени Т_i+1. В интервалы времени Т_i0 формируется информация об измеряемом параметре во втором реверсивном счетчике 18 и хранится во втором регистре 20 в течение времени T_(i+1)0. Информацию в первом регистре 19 будем обозначать а_i, а во втором регистре 20-a_i0. Обновление информации a_i осуществляется в момент начала формирования интервала T_i, по переднему фронту перехода D-триггера 4 в единичное состояние, обновление информации а_i0 осуществляется в момент начала формирования интервала Т_i0, по переднему фронту перехода D-триггера 4 в нулевое состояние.

Пусть измеряемый сигнал а_i>0. Переход D-триггера 4 в единичное состояние происходит при значении выходного сигнала сумматора 16 U_s=h. С этого момента времени сигнал U_s начинает уменьшаться, а на вход С первого делителя частоты 21 начинают поступать импульсы генератора 5 с выхода инвертора 27. Пусть до достижения значения U_s=-h происходит переполнение первого делителя частоты 21. Выходной сигнал первого делителя частоты 21 U₁=1 переводит релейный элемент с гистерезисом 3 в нулевое состояние (сигнал U₁ выбирается из условия U₁>2h). Пусть это происходит при значении U_s=h_i. Тогда длительность Т_1i определяется выражением
Т_1i=(h-h_i)/(l_OC-l), (4)
где I соответствует значению измеряемого параметра a_i. Длительность Т_2i определяется выражением
Т_2i=(h-h_i)/(l_OC+l). (5)
В рассматриваемом случае при а_i>0 сигнал U_s изменяется в пределах от h до h_i и обратно до h, при этом происходит переполнение первого делителя частоты 21 в момент времени, при котором U_s=h_i. Переполнение первого делителя частоты 21 (появление сигнала U₁=1) свидетельствует о достоверности информации об измеряемом параметре на интервале Т_i в первом регистре 19, так как формирование информации в первом реверсивном счетчике 17 происходит при изменении сигнала U_s от h до h_i и обратно, при этом на первой сигнальной шине 13 формируется интервал T_i. Информация во втором реверсивном счетчике 18 формируется при изменении сигнала U_s от h_i до n и от h до h_i+1. Если h_ih_i+1, то информация во втором регистре 20 на интервале Т_i0 не будет достоверной.

При a_i<0 формирование информации в первом 19 и втором 20 регистре происходит аналогично уже описанному, только в этом случае будет происходить переполнение второго делителя частоты 22 и достоверная информация об измеряемом параметре на интервалах Т_i0 содержится во втором регистре 20, при этом на второй сигнальной шине 14 формируется интервал Т_i0.

Эффект от использования предлагаемого изобретения состоит в повышении точности прецизионного частотно-импульсного измерителя. Оценим вначале точность предлагаемого изобретения. Основными параметрами, влияющими на точность измерения, являются погрешности кварцевого генератора 5 и стабилизатора тока 10. Погрешность а измеряемого ускорения можно представить в виде
а = k(l_OCt_a+t_al_OC), (8)
где t_a= (T₁-T₂)/(T₁+T₂), I_OC – погрешность стабилизатора тока 10, t_a -погрешность формирования величины t_a.

Пусть относительная погрешность I стабилизатора тока 10 равна 10^-4, а относительная погрешность кварцевого генератора 10^-5. Тогда при I_ОС=10 mА, k= 1 Mc^-2/mА и а=8 Mc² t_a=0,8, что следует из (2), t_a определяется погрешностью кварцевого генератора 5 и равна 0,810^-5, а погрешность измерения ускорения а=0,910^-3 Mc². Относительная погрешность измерения а ускорения будет равна а/а=1,110^-4, что составляет 0,011%.

Оценим погрешность известного измерителя [2]. Основная погрешность известного решения определяется неточностью формирования интервалов широтно-импульсной модуляции вследствие невозможности формирования указанных интервалов кратно периоду Т₀ кварцевого генератора. В результате погрешность Т формирования интервалов составляет величину Т₀. Для рассмотренного выше случая основную погрешность измерения а можно записать в виде
а = kI_ОСТ/Т = kI_ОСТ₀/Т, (9)
где Т – период широтно-импульсной модуляции. Для Т=0,001 с, Т₀=10^-6 с значение а=0,01 Mc^-2. Относительная погрешность а=а/а известного решения составит 0,0012 или 0,12%, что значительно хуже, чем у предлагаемого изобретения.

Как следует из (4) и (5) в случае отсутствия переполнения делителей частоты (h_i=h) интервал T_i=(Т_1i+T_2i) существенно увеличивается при значениях измеряемого параметра а_i, близких к максимальному значению a_макс. Если значение I_макс (I_макс соответствует значению a_макс) близко к значению I_OC, то значение Т_i, соответствующее малым значениям измеряемого параметра, может в несколько раз отличаться от значения T_i, соответствующего значению а_макс. Это может привести к существенному запаздыванию информации об измеренном параметре до неприемлемых значений. Если, например, l_OC-I_макс=0,1I_ОС, то интервал Т_макс, соответствующий a_макс, в 10 раз превышает интервал Т_мин, соответствующий малым значениям измеряемого параметра a_i (Т_мин=2h/I_ОС). Выберем число N, определяющее переполнение делителей частоты 21 и 22, равным
N = Т_мин/2T₀. (6)
В этом случае интервал Т_i лежит в пределах
Т_мин>Т_i >Т_мин/2. (7)
При других значениях N можно получить другие пределы изменения интервала Т_i. Предлагаемое изобретение при соответствующем выборе числа N не увеличивает запаздывание на формирование преобразуемого сигнала при его изменении от минимального до максимального значения, позволяет достоверно определить текущее значение параметра, что повышает точность прецизионного частотно-импульсного преобразователя.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных автором решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”. В качестве элементов для реализации устройства могут быть использованы логические элементы И, триггеры, делители частоты, регистры, реверсивные счетчики, ключи любых серий, например, серии 564, стандартные релейные элементы, стабилизаторы тока, кварцевые генераторы, усилители.

Литература
1. П.В. Новицкий, В.Г. Кнорринг, B.C. Гутников. Цифровые приборы с частотными датчиками. – Л.: Энергия, 1970, с. 364, фиг.13-2.

2. П.В. Новицкий, В.Г. Кнорринг, B.C. Гутников. Цифровые приборы с частотными датчиками. – Л.: Энергия, 1970, с. 371, фиг.13-6.

Формула изобретения

Прецизионный частотно-импульсный измеритель, содержащий датчик измеряемого параметра, усилитель, кварцевый генератор, стабилизатор тока, первый и второй делители частоты, мостовую схему, образованную цепью из последовательно соединенных второго и первого ключей, параллельно которой включена вторая цепь из последовательно соединенных третьего и четвертого ключей, в диагональ мостовой схемы включена цепь формирования уравновешивающего сигнала датчика измеряемого параметра, выход которого соединен с входом усилителя, а выход стабилизатора тока соединен с входом мостовой схемы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены релейный элемент с гистерезисом, D-триггер, первый и второй реверсивный счетчики, первый и второй элементы И, первый и второй регистры, первый и второй одновибраторы, инвертор и сумматор, первый и второй неинвертирующие входы которого соединены соответственно с выходом усилителя и выходом второго делителя частоты, третий инвертирующий вход сумматора подключен к выходу первого делителя частоты, выход сумматора соединен с входом релейного элемента с гистерезисом, выход которого соединен с D-входом D-триггера, С-вход которого подключен к выходу кварцевого генератора и входу инвертора, соединенного своим выходом с первыми входами первого и второго элементов И, неинверсный выход D-триггера соединен с первой сигнальной шиной, вторым входом первого элемента И, С-входом записи первого регистра, входом первого одновибратора и входом управления второго и четвертого ключей мостовой схемы, инверсный выход D-триггера соединен со второй сигнальной шиной, вторым входом второго элемента И, С-входом записи второго регистра, входом второго одновибратора и входами управления первого и третьего ключей мостовой схемы, при этом С-вход первого делителя частоты соединен с выходом первого элемента И, с суммирующими входами первого и второго реверсивных счетчиков и входом параллельной записи РЕ второго делителя частоты, С-вход которого подключен к входу параллельной записи РЕ первого делителя частоты, выходу второго элемента И и вычитающим входам первого и второго реверсивных счетчиков, R-входы которых соединены с выходом первого и второго одновибраторов соответственно, причем первый реверсивный счетчик, первый регистр и первая выходная шина, а также второй реверсивный счетчик, второй регистр и вторая выходная шина соединены последовательно.

РИСУНКИ