Спосіб вимірювання часових інтервалів та пристрій для його здійснення

Реферат: Винахід належить до області вимірювальної інформаційної техніки і призначений для використання в тих областях, де необхідне точне і високошвидкісне аналого-цифрове перетворення сигналів. Спосіб вимірювання часових інтервалів та пристрій для його здійснення засновані на аналоговому n кратному перетворенні вимірюваних перших часових інтервалів між стартовими сигналами і m1  1 -ми сигналами опорної частоти в p разів більші другі часові інтервали до сформованих стопових сигналів і кодуванні других часових інтервалів в цілих m1 періодах опорної частоти  0 . Таким чином досягається підвищення точності   вимірювання коротких часових інтервалів за рахунок ідентифікації в робочому режимі вагових коефіцієнтів розрядів коду відліку часових інтервалів з точністю задання періодів опорних частот. UA 102396 C2 (12) UA 102396 C2 UA 102396 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід стосується області вимірювальної інформаційної техніки і призначений для використання в тих областях, де необхідне точне і високошвидкісне аналого-цифрове перетворення сигналів. Багато завдань аналого-цифрового перетворення сигналів вирішуються через проміжне перетворення сигналів в часовий інтервал. Всі завдання перетворення в код коротких часових інтервалів, менших періоду опорної частоти, зводяться до завдання вимірювання в долях опорної частоти інтервалу часу між якимсь стартовим імпульсним сигналом і наступним за ним імпульсним сигналом опорної частоти. Відомий спосіб рішення цієї задачі [винахід "Спосіб вимірювання часових інтервалів та пристрій для його здійснення", патент України № 40629, автор Гайський В.О., опубл. 15.08.2001 - Бюл. № 7], заснований на аналоговому перетворенні вимірюваного інтервалу в "р" раз більший часовий інтервал до сформування стопового імпульсного сигналу і розрядному кодуванні розширеного часового інтервалу в цілих періодах опорної частоти за допомогою розрядного перетворення, формування наступних молодших розрядів шляхом багатократного повторення цієї процедури прийняття стопового сигналу за наступний стартовий. Оскільки діапазон перетворюваного інтервалу часу зберігається в кожному розряді, то формально можна отримати скільки завгодно багато розрядів. Цей спосіб по сукупності ознак найближче співпадає із запропонованим технічним рішенням, тому він прийнятий як прототип для кожного з винаходів, що входять до заявленої групи. Прототип характеризується наступними спільними із заявленим способом вимірювання часових інтервалів ознаками: у нім здійснюється аналогове n кратне перетворення вимірюваних перших часових інтервалів між стартовими сигналами і (m1+1)-ми сигналами опорної частоти в "р" разів більші другі часові інтервали до сформованих стопових сигналів і кодування других часових інтервалів в цілих m1 періодах  0 опорної частоти. Недоліком прототипу є те, що через аналогову реалізацію операції розширення інтервалу часу при розрядному перетворенні, яка зазвичай виконується двотактним інтегратором, точність перетворення обмежена. -4 -3 Для сучасного рівня техніки точність двотактного інтегратора обмежена величиною 10 -10 , тобто таке аналого-цифрове перетворення не забезпечує отримання більше 10÷13 точних двійкових розрядів із-за погрішності і зміни вагів розрядів коду відліку. 12 З іншого боку, досягнута стабільність періоду опорних частот досягає 10- і потенційно забезпечує кодування часових інтервалів з точністю до 40 двійкових розрядів. У основу винаходу поставлено задачу створення способу вимірювання часових інтервалів та пристрою для його здійснення, в яких забезпечується єдиний технічний результат підвищення точності вимірювання коротких часових інтервалів. Поставлена задача вирішується ідентифікацією в робочому режимі вагових коефіцієнтів розрядів кодів відліку часових інтервалів з точністю завдання періодів опорних частот шляхом використання двох паралельних каналів перетворення з різними коефіцієнтами розширення p1j і p2j у розрядних перетворювачах, подачі стартового сигналу t-гo вимірюваного інтервалу часу τх(t) на входи обох каналів одночасно, перетворення сум вимірюваного інтервалу τх(t) з різними значеннями числа m11 зразкових інтервалів в першому і m21 в другому каналах в коди відліків x1j t  з n1 розрядів в першому і x 2 j t  з n2 розрядів в другому каналах, фіксації кодів відліків,   повторення 45  процедури  перетворення для (n1+n2) або більше вхідних сигналів τх(t) t  1, n1  n2  , визначення цифрових значень вимірюваних інтервалів часу  t  за формулою 1 * t   * 1t   * 2 t  , (1) x x x 2   n1 де * x * 1t   m0   1 x j1 j1 n2 * 2 t   m0   1 x j1 j1 x t   1p j 1 1s 1j  m11 t 0 , s1 x t   1p j 2j 1 2s  m21 t 0 , (2) s1 j вагові коефіцієнти розрядів кодів відліків 1  p1S для першого і S 1 j p 1 2S другого сигналів S 1 визначаються вирішенням системи (n1+n2) або лінійних алгебричних рівнянь вигляду 1 UA 102396 C2   1 x t   1p n1 j1 j j1 1j S1 1 1S n2    1 j1 j1 x t   1p j 2j 1 2S  m11 t   m21 t m1 , (3) S1     де m  0 - період опорної частоти, в долях якого представлені коди відліків x 1j t  і x 2 j t  , t  1, n1  n 2  ;  0 - величина одного зразкового інтервалу часу. 5 10 15 20 25 30 Задача винаходу вирішується також тим, що в пристрої для вимірювання часових інтервалів, що містить блок опорної частоти і розрядний перетворювач часових інтервалів в код з інтерполятором, вихід якого пов'язаний з входом, що управляє, вузла блокування входу пристрою, новим є те, що він додатково містить обчислювач і два паралельні канали порозрядного кодування, в яких розрядні перетворювачі з різними коефіцієнтами розширення включені послідовно по стартових входах і стопових виходах, при цьому блок опорних частот має три виходи, вихід нульової опорної частоти блоку опорних частот підключений до перших входів, що управляють, всіх розрядних перетворювачів, вихід першої опорної частоти блоку опорних частот, в m разів меншої нульової опорної частоти, підключений до других входів, що управляють, розрядних перетворювачів першого каналу, вихід другої опорної частоти блоку опорних частот, зрушеної по фазі на половину періоду щодо першої опорної частоти, підключений до других керуючих входів розрядних перетворювачів другого каналу, виходи стопових сигналів кінцевих розрядних перетворювачів в першому і другому каналах підключені відповідно до першого і другого входам обчислювача, керуючий вихід якого сполучений з керуючим входом вузла блокування входу пристрою, вхід стартового сигналу вимірюваного часового інтервалу через вузол блокування входу підключений до входів перших розрядних перетворювачів в обох каналах, кодові виходи всіх розрядних перетворювачів підключені до інформаційних входів обчислювача, вихід якого є виходом пристрою. Винахід пояснюється за допомогою ілюстрацій, на яких зображено: фіг. 1 - часова діаграма розширення в "р" раз вимірюваного інтервалу на двотактному інтеграторі і розрядного кодування на лічильнику; фіг. 2 - діаграми сигналів при заявленому двоканальному порозрядному кодуванні часових інтервалів; фіг. 3 - структурна схема заявленого пристрою. Суть винаходу полягає в наступному. Приведений відомий спосіб кодування короткого інтервалу часу за допомогою інтерполятора на базі двотактного інтегратора, що забезпечує розширення вимірюваного інтервалу в "р" раз до стопового сигналу і кодування цього інтервалу в цілих періодах опорної частоти, ілюструє фіг. 1. Тут вимірюваний інтервал часу  xi між стартовим імпульсом t0 і першим наступним за ним сигналом T 1 опорної частоти з періодом 35 40  1 перетворюється в розширений в "pj" раз інтервал p j  xi (pj=4) і кодується цілим числом періодів xj (тут xj=1) опорної частоти. Далі стоповий сигнал t1 береться за новий стартовий для інтервалу  x ( i1) , що є доповненням до  1 відрізка рj  xi -xj  1 , і цикл перетворення інтервалу  х(і+1) повторюється. Цей спосіб кодування використовується в кожному з каналів. У пропонованому способі використовується два паралельні канали з різними ваговими коефіцієнтами розрядів кодування. Часові діаграми сигналів при двоканальній реалізації методу порозрядного кодування часових інтервалів представлені на фіг. 2. Тут використані наступні позначення: послідовність імпульсів Т0 (а) нульової опорної частоти з періодом  0 , Т1 - послідовність імпульсів першої опорної частоти Т1 (б) з періодом m  0 , Т2 - послідовність імпульсів другої опорної частоти Т2 (2) з періодом m  0 , зсунута по фазі на 45 1 періоду, тобто на 1 m0 від послідовності T1. 2 2 Послідовності Т0, Т1 і Т2 синхронізовані. Перетворюваний інтервал часу задається стартовим сигналом t0, який виникає усередині періодів послідовностей T 1 і Т2 і триває до стопових перших наступних сигналів Т1 і Т2 у першому і другому каналах. Ці інтервали далі кодуються в долях періоду m  0 . Розглянемо процес перетворення в першому каналі, епюра фіг. 2 (в). Стартовий сигнал t 0 запускає перший такт інтегратора, який триває протягом перетворюваного інтервалу 11 до 2 UA 102396 C2 першого стопового сигналу Т1. У цей інтервал вміщається m11 цілих інтервалів  0 , які підраховуються (m 11+1) сигналами Т0 і беруться за тривалість m11  0 зразкового інтервалу 01 , адитивного до невідомого інтервалу  x1 . При цьому 11 =  x1 +m11  0 . (4) 5 У другому такті інтегратора інтервал 11 помножується на ваговий коефіцієнт першого розряду р11, тобто формується інтервал тривалістю p11 11 =p11  x1 +p11m11  0 . (5) У цей інтервал часу вкладається N11 імпульсів опорної частоти Т0. У цілих долях інтервалу m  0 значення х11 першого розряду коди відліку {х1i} визначається з виразу 10 N   N  x11   11 0    11  , (6)  m0   m  що охоплює відрізок х11m  0 перетворюваного інтервалу р11 11 , а відрізок часу Δ11 залишиться невідомим, тобто р11 11 =х11m  0 +Δ11. (7) 15 Відрізок часу Δ11 є доповненням до повного інтервалу m  0 інтервалу записати 12 так, що можна Δ11=m  0 - 12 . (8) Тоді можемо записати 1 1 11  p11 x11m0  p11 m0  12  . (9) 12 є початковим для перетворення другого розряду, яке здійснюється 1 аналогічно першому з вагою p12 , тобто Інтервал часу 20 1 1 12  p12 x 12 m 0  p12 m 0  13  . (10) Всі наступні розряди формуються аналогічним чином, тому    n1 1 1 1 1 1 11  p11 x11m0  p11 m0  p12 x12 m0  p12 m0  p13 x13 m ...  m0   1 j 1 j 1    1 x причому залишковим членом 1  1p1s j 1j 1j , (11)   1  p1s1 нехтуємо за малістю. s  n 1 Епюри сигналів в другому каналі перетворення показані на фіг. 2 (г, д). Стартовий сигнал t0 є загальним для двох каналів. Проте в другому каналі, що має фазове зсунення опорної частоти щодо сигналу T1 фіг. 1 (г), перетвориться в інтервал часу 21 =  x1 +m21  0 . (12) 30 s 1  j 1 j  n 1 25 x m 0 сигналу Т2 2 Відома частина цього інтервалу береться за зразковий інтервал 02 =m21  0 , (13) а невідомі частини перетворюваних інтервалів  x1 співпадають в обох каналах. По аналогії з виразом (11) для другого каналу перетворення запишемо n2 21  m0   1 j 1 j 1 x  1 . (14) 2 j  1  p2 s j s 1 Для перетворюваних інтервалів в різні моменти часу n1 35 m0   1 j 1 x t   1 p j j 1 1j 1 1s  x t   01 t  , (15) s 1 3  x ( t ) і двох каналів отримаємо UA 102396 C2 n2 m0   1 x t   1 p j j 1 j 1 2j 1 2s  x t   02 t  . (16) s 1 Віднімаючи з першого рівняння друге, отримаємо   1 x1j t   1 p n1 j j 1 j 1 5 s 1 x 1  1 ... 1j x n 25 j j 1 2j j 1 1 2s  m11 t   m21 t m1 , (17) s 1  :  ... 1  n2   1 x 1  1 x 21 1  1  : 1n1 x 1  1 x 21 1  1  : ... x n  x n 1  n2   1 m11 1  m21 1m 1 2n 2  :  : 1j x 1  1 ... 1  n 2   1 ...  : x 1  1 m11 1  m21 t m 1 2n 2  :  :  n 2   1 m11 n1  n 2   m 2 n1  n 2 m 1 1 x n  . (18) Можливості вирішення системи (17) обумовлені формуванням членів загальної матриці (18) за рахунок мінливості перетворюваного сигналу або мінливості зразкових сигналів. Якщо мінливість забезпечується тільки зміною зразкових сигналів (їх різниці), то це фактично буде режим градуювання і буде потрібно не менше (n 1+n2) усяких різниць [m11(t)m21(t)] зразкових сигналів або (n1+n2+1) різних сигналів. З іншого боку, якщо мінливість матриці забезпечується тільки мінливістю вхідного перетворюваного інтервалу, то достатньо, мабуть, однієї пари зразкових сигналів для одного моменту часу. Зміна зразкових сигналів може виконуватися фазовим зрушенням на дискретне число інтервалів  0 перших імпульсів сигналів Т 1 і Т2, причому зрушення вліво зменшує mi1, а 1n1 20 x t   1 p   1  : ...  : 15 n2 t  1, n1  n2  . Система рівнянь (17) містить (n1+n2) невідомих, відповідних вагам розрядів відліків перетворюваних інтервалів. Розширена матриця системи для мінімального (n 1+n2) числа рівнянь має вигляд x11 1  1 10 1 1s 1n1 21 2n 2 зрушення управо збільшує mi1. При цьому випереджаюче цю операцію визначення mi0 дозволяє встановити верхню межу зрушення вліво до mi1=0, вона рівна m-mi0=1. (19) Межа зрушення управо обмежується максимально допустимою тривалістю першого такту інтегратора, тобто m  0 -(m11-1)  0 =(m-m11+1)  0 . (20) Операцію розрядного кодування можна виконати за допомогою одного розрядного перетворювача, замкнувши вихід стопового сигналу на вхід стартового. При цьому вага j-гo -j розряду буде рівна p і час перетворення всіх n розрядів складе до (р+1)n 1 . Тільки через такий період часу можна подавати на вхід стартовий сигнал наступного вимірюваного інтервалу. Для підвищення швидкодії можна використовувати n розрядних перетворювачів, включених послідовно в ланцюжок, причому перший перетворювач формуватиме код першого розряду, j 30 другий, - другого і j-й - j-гo. При цьому вага j-гo розряду буде рівна p 1 S , а період часу, через S 1 35 який можна подавати на вхід стартовий сигнал наступного вимірюваного інтервалу, скоротиться до 2(р+1) 1 . До складу заявленого пристрою (фіг. 3) входять перший 1 і другий 2 канали порозрядного кодування (відповідно КПК1, КПК2), блок 3 опорних частот - генератор (БОЧ), обчислювач 4 (О), вузол 5 блокувань входу пристрою (ВБВ). Канали порозрядного кодування І і 2 утворені послідовним з'єднанням розрядних перетворювачів РДij ( i  1 2 , j  1 ni ), причому коефіцієнти , , розширення в розрядах p1j в першому 1 и p2j у другому 2 каналах повинні бути різними (p1j≠p2j). Коефіцієнти розширення в розрядах p1j одного каналу можуть бути однаковими, але такими ніколи не будуть із-за технологічних погрішностей, відходу від впливаючих чинників і старіння. j 40 Оскільки коефіцієнти розширення pXj задають ваги розрядів p 1 S або основа позиційної S 1 системи числення, в якій кодується вимірюваний потенціал, то при виборі їх номінальних значень можуть бути прийняті відомі міркування простоти реалізації (р=2) або максимальної швидкодії (р=4) [прототип]. Якщо прийнято для номінальних значень p1j≈р1 і p2j≈р2 для всіх j, те 4 UA 102396 C2 число розрядів (і розрядних перетворювачів) в першому n1 і другому n2 каналах може бути 5 n встановлено із співвідношення p1 1  pn 2 , яке забезпечує зразкову рівність роздільної здатності 2 каналів. Генератор 3 опорних частот (БОЧ) служить для вироблення послідовностей імпульсів Т 0, Т1, Т2, період яких зв'язаний співвідношеннями для Т 1- 1 =m  0 , для Т2 -  2 =m  0 . Всі послідовності синхронізовані послідовністю Т0, послідовність Т2 зсунута по фазі на 0,5m  0 щодо послідовності Т1 (фіг. 2). Значення m повинне задовольняти, з одного боку, динамічному діапазону значень вимірюваного часового інтервалу 10 15 x  0, max ,  0 m≥ max , з іншого боку - повинно бути достатнім для формування необхідного числа різних зразкових інтервалів при ідентифікації (n1+n2) вагових коефіцієнтів розрядів в режимі градуювання, тобто m≥(n 1+n2). У робочому режимі, коли мінливість перетворюваного інтервалу забезпечується послідовністю різних вимірюваних інтервалів, значення m може бути мінімальним (m=2). Вихід опорної послідовності Т0 поданий на всі блоки пристрою, вихід Т1 поданий на розрядні перетворювачі першого каналу 1, Т2 - другого каналу 2. Обчислювач 4 (О) призначений для накопичення кодів {x1j} и {x2j} відліків послідовності перетворюваних інтервалів x ( t ) , t  1, n1  n2  , вирішення системи лінійних алгебричних рівнянь (3) і відновлення цифрових значень x ( t ) вимірюваних інтервалів по виразах (1) і (2). По загальній шині вхід обчислювача 4 20 25 30 пов'язаний з виходами кодів всіх розрядних перетворювачів пристрою. Вузол 5 блокувань входу (ВБВ) призначений для відключення входів 1-го і 2-го каналів від стартового сигналу до закінчення перетворення попереднього сигналу у перших двох розрядах кожного з каналів в тих випадках, коли час його надходження не може бути синхронізований з роботою пристрою. У аналого-цифрових перетворювачах з проміжним перетворенням в інтервал часу така синхронізація можлива і необхідна і може виконуватися цим вузлом. Зовнішній вхід пристрою є входом вузла 5 ВБВ, а вихід останнього поданий на входи каналів 1, 2. Пристрій, згідно епюрам сигналів (фіг. 2), працює таким чином. Стартовий сигнал t0 надходить на вхід вузла 5 ВБВ і, якщо він відкритий, проходить на входи перших розрядних перетворювачів першого 1 і другого 2 каналів, відповідно РП 11 і РП21. У розрядних перетворювачах відбувається накопичення заряду і підрахунок m11 і m21 зразкових інтервалів  0 у першому такті інтегратора від стартового сигналу до першого імпульсу Т1 у першому 1 і Т2 у другому 2 каналах. Це будуть інтервали часу 11 =  x +m11  0 і 21 =  x +m21  0 . У другому такті інтегратора виконується розширення інтервалів каналі 1 і інтервалу 35 40 11 у р11 раз в першому 21 у р21 раз в другому каналі 2 з одночасним кодуванням в цілих числах інтервалу m  0 х11 у першому каналі і х21 у другому каналі. Коди m11 і m21 формуються тільки в перших розрядах. Далі коди m11, m21, х11, х21 надходить в обчислювач 4. Аналогічно формуються коди х1j ( j  1 n1 ) и x2j ( j  1 n2 ) інших розрядів в обох , , каналах, надходить в обчислювач 4 і накопичуються. Причому кожен j-й розряд код відліку інтервалів τ11(t) і τ21(t) формується j-м розрядним перетворювачем РПj. Після того, як звільняться перші два розрядні перетворювачі в обох каналах, що фіксується обчислювачем 4, вузол 5 блокувань входу відкриває вхід для надходження стартового сигналу наступного вимірюваного інтервалу  x (t+1). У обчислювачі 4 накопичується (n1+n2) або більше пар відліків {х1j(t)} і {x2j(t)} послідовності вимірюваних інтервалів x ( t ) , t  1, n1  n2  . j Далі вирішується СЛАУ, по виразу (3) визначаються ваги розрядів p 1 1S ( j  1 n1 ) і , S 1 j 45 p S 1 1 2S ( j  1 n2 ), по виразах (2) визначаються цифрові значення невідомих частин  * 1 і * 2 , x x вимірюваного інтервалу в першому і другому каналах і їх середнє значення  x по виразу (1). * 5 UA 102396 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 1. Спосіб вимірювання часових інтервалів, заснований на аналоговому n кратному перетворенні вимірюваних перших часових інтервалів між стартовими сигналами і m1  1 -ми сигналами опорної частоти в p разів більші другі часові інтервали до сформованих стопових сигналів і кодуванні других часових інтервалів в цілих m1 періодах опорної частоти  0 , який відрізняється тим, що використовують два паралельні канали перетворення суми вимірюваного часового інтервалу з різними значеннями числа зразкових інтервалів m11 в першому і m21 у другому каналах, з різними коефіцієнтами розширення в розрядних 10     перетворювачах p1 j j  1, n1 у першому і p2 j j  1, n2 у другому каналах, подають стартовий сигнал t -го вимірюваного часового інтервалу, динамічний діапазон значень якого складає m періодів опорної частоти, на вході обох каналів одночасно перетворюють сумарні часові інтервали в коди відліків x1j t  і x 2 j t , що містять n1 розрядів для першого каналу і n 2 розрядів для другого каналу, фіксують коди відліків, подають на входи каналів n1  n2  або більше вхідних 15 сигналів часових інтервалів  x t  , t  1, n1  n2  , аналогічним чином перетворюють ці часові інтервали і фіксують коди відліків x1j t  і x 2 j t , t  1, n1  n2  , визначають вагові коефіцієнти j розрядів коду відліків n1  n2   1 p1S для першого і S 1 j p 1 2S для другого каналів вирішенням системи S 1 або більше лінійних алгебраїчних рівнянь вигляду: n1 j n2 j j1 s 1 j1 s 1  s  1j1x1j t  1p1s1   1j1x2j t  1p21  m11t  m21tm1 , 20 t  1, n1  n2  і визначають цифрові значення виміряних часових інтервалів * t  за формулою x * t   x * 1t   * 2 t  x x , 2 де * 1t   m0 x n1 j  1j1x1j t  1p1s1  m11t0 , j1 * 2 t   m0 x n1  1 x 30 35 40 j1 1j j1 25 s 1 j  t   1p21  m21t 0 , s s 1 t  1, n1  n2  . 2. Пристрій для вимірювання часових інтервалів, що містить блок опорної частоти і розрядний перетворювач часових інтервалів в код з інтерполятором, вихід якого пов'язаний з керуючим входом вузла блокування входу пристрою, який відрізняється тим, що він додатково містить обчислювач і два паралельні канали порозрядного кодування, в яких розрядні перетворювачі з різними коефіцієнтами розширення включені послідовно по стартових входах і стопових виходах, при цьому блок опорних частот має три виходи, вихід початкової опорної частоти блока опорних частот підключений до перших керуючих входів всіх розрядних перетворювачів, вихід першої опорної частоти блока опорних частот, що в m разів менша початкової опорної частоти, підключений до других керуючих входів розрядних перетворювачів першого каналу, вихід другої опорної частоти блока опорних частот, зсунутої по фазі на половину періоду щодо першої опорної частоти, підключений до других керуючих входів, розрядних перетворювачів другого каналу, виходи стопових сигналів кінцевих розрядних перетворювачів в першому і другому каналах підключені відповідно до першого і другого входів обчислювача, керуючий вихід якого сполучений з керуючим входом вузла блокування входу пристрою, вхід стартового сигналу вимірюваного часового інтервалу через вузол блокування входу підключений до входів перших розрядних перетворювачів в обох каналах, кодові виходи всіх розрядних перетворювачів підключені до інформаційних входів обчислювача, вихід якого є виходом пристрою. 6 UA 102396 C2 7 UA 102396 C2 8 UA 102396 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9