Спосіб вимірювання часових інтервалів та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования во всех областях, где требуется измерение коротких временных интервалов с высоким разрешением и точностью. В основу изобретения поставлено не известное ранее решение задачи аналого-цифрового, преобразования временных интервалов, близкое к кодированию аналоговых сигналов поразрядным уравновешиванием с использованием интерполирующих преобразователей, что позволяет реализовать кодирование разрядов с малым основанием системы счисления. Указанный технический результат обеспечивает линейность преобразования и высокую помехоустойчивость, позволяет получить максимально возможное быстродействие при фиксированном периоде опорного сигнала и заданном разрешении или точности. Способ основан на аналоговом преобразовании измеряемого первого временного интервала между стартовым сигналом и т-м сигналом опорной частоты в "р" раз больший второй временной интервал до сформированного стопового сигнала и кодировании второго временного интервала в целых периодах опорной частоты. Этот процесс повторяют n раз, каждый раз принимая столовый сигнал за новый стартовый, и вычисляют исходный измеряемый интервал по формуле n tх = å t0 i =1 (-1)i+1р-1 [Ni – (m-1)р+1], t где NI - число целых периодов 0 опорной частоты, укладывающихся в і-тый расширенный интервал времени. Способ осуществляется с помощью устройства, которое содержит позволяет использовать малое расширение временного интервала (р - { 2, 3, 4 }), осуществляемое обычно интеграторами. Указанный технический результат обеспечивает линейность преобразования и высокую помехоустойчивость, позволяет получить максимально возможное быстродействие при фиксированном периоде опорного сигнала и заданном разрешении или точности. Поставленная задача решается тем, что в способе измерения временных интервалов, основанном на аналоговом преобразовании измеряемого первого временного интервала между стартовым сигналом и m-м сигналом опорной частоты в "р" раз больший второй временной интервал до сформированного стопового сигнала и кодировании второго временного интервала в целых периодах опорной частоты, согласно изобретению этот процесс повторяют n раз, каждый раз, принимая столовый сигнал за новый стартовый, й вычисляют исходный измеряемый интервал по формуле: n t х=t 0 å i =1 (-1)i+1 р-i [Ni -(m-1)p+1], где Ni - число целых периодов опорной частоты, укладывающихся в і-тый расширенный интервал времени. Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - временные диаграммы для общего случая измерения временных интервалов; на фиг. 2 - аналогичные диаграммы для предлагаемого способа в общем случае; на фиг. З - диаграммы для количественного примера; на фиг. 4 - стр уктурная схема устройства. В самом общем случае измеряемый временной интервал задается стартовым Т1 и стоповым T2 сигналами (фиг.1) и кодируется подсчетом числа периодов опорной частоты Т0 с разрешением до периода опорной частоты t 0. Поскольку стартовый Т1 и стоповый Т2 сигналы обычно не совпадают по времени с сигналами опорной частоты То, то остаются неизмеренными два коротких временных интервала: первый t х1 - от стартового сигнала Т1 до первого сигнала То опорной частоты и вто рой – от последнего перед стоповым сигнала опорной частоты до стопового сигнала T2 или его дополнение t х2 до периода опорной частоты t 0 от стопового Т2 сигнала до следующего первого сигнала опорной частоты Т0. Таким образом, если есть необходимость в точном измерении временных интервалов в долях периода опорной частоты, то задача сводится к измерению временного интервала t х1 (или ( t х2) от старто вого сигнала Тi до первого сигнала опорной частоты. Поскольку этот , интервал может быть близким к нулю, то для облегчения его преобразований обычно добавляют к нему один или (m-1) периодов опорной частоты (m≥1). В этом случае преобразованию при измерении подвергается интервал времени, представляющий сумму неизвестного интервала (на оси t1 ) длительностью t х1 о т стартового сигнала Тi до первого сигнала опорной частоты Т0 (на оси t2) известного интервала (m-1)t 0, где t 0 - длительность периода сигнала опорной частоты (фиг. 2.) (положительный сигнал). Обозначим этот интервал времени (на оси t3 ) как это показано на фиг.З.. t i = t хi + (m –1) t 0 (2) В момент прихода m-го сигнала Т0 начинается преобразовывание Интервала t i в "р" раз больший временной интервал pt1, длительность которого на фиг. 2 на оси t3 показана отрицательным прямоугольным сигналом. Можем записать: p t i = p(m-l)t 0 + р t хi (3) Окончание интервала pt i определяется стоповым сигналом Ti+1, который запаздывает на Δi от ближайшего слева сигнала Т0 опорной частоты и опережает на целых периодах опорной частоты t хi+1 ближайший справа сигнал Т0. Интервал pt i кодируется числом Ni в рt і [= ] р(m - 1) t 0 t0 t0 Ni = ] + рt хі [= р (m - 1) +] рt хі t0 t0 [ = р (- p(m-l) + xi, Xi - Ni – p(m-l) (4) ù рt хі é ú t ê =û 0 ë где хі - значение 1-го разряда отсчета длительности интервала . Как видно из диаграммы сигналов на фиг.2 Ptxi г t хi в р-ичной системе счисления. ù рt хі é ú t êt 0 + D І = хіt 0 + t 0 - t х (і +1) р t хi = û 0 ë , (5) где t х(i+1) - новый неизвестный временной интервал, который принимается за измеряемый и вновь преобразуется суммированием с (m-1) периодами опорной частоты Т 0, расширением в "р" раз больший интервал p t i+1 и кодированием последнего в целых числах t 0 величинами хі . Такая процедура повторяется n раз, давая n разрядов хі , і - 1,h кода. Покажем, что этот код является отсчетом значения измеряемого первого сигнала t х1 в р-n - долях периода опорной частоты t 0. Можем записать, учитывая выражение 4: t х1 = t0 t t х1 + 0 - х2 р р р t0 t t х 2 + 0 - х3 р р t х2= р и т.д. (6) t0 1 1 ( х1t 0 + t 0 - ( х 2t 0 + t 0 - ( х 3t 0 + t 0 + ...))) р р t х1 = р или В общем виде получим: n t х1 = n i =1 i =1 (7) t 0 å ( -1) i+1 p -i + t 0 å ( -1) i+1 p - i x i + D n D n = t 0 - t x ( n+1) Ð t0 pn где величина малая, которой можно пренебречь, n å (-1) i +1 p (8) (9) -i Sp.n = i = 1 (10) постоянная величина, являющаяся суммой первых n членов знакочередующегося ряда. (хі )- отсче т кода в р-ичной системе счисления-с положительными весами нечетных и отрицательными - четных разрядов. 'Выражение 8, опуская n t х1 = t 0 å ( -1) i =1 i +1 D n , можно записать в удобной для вычисления форме n p -i ( xi + 1) = t 0 å ( -1) i +1 [N i - ( m - 1) p + 1] i =1 (11) Выбор основания "р" системы для кодирования разрядов может быть обусловлен различными соображениями. Если требуется высокая точность и помехоустойчивость, простота технической реализации, то целесообразно взять двоичную систему при р=2. Для двоичной системы представления разрядов (р=2) п n t 0 å ( -1) i +1 2 - i ( x i + 1) t х1 = i =1 (12) где хі =(0,1) . Для перехода в обычную позиционную систему счислении с положительными весами разрядов необходимо произвести вычисления по выражению 12. Рассмотрим пример для m=2, р=2, представленный па фиг. 3. На оси t1 приведены стартовые и стоповые сигналы Ті , на оси t2 - сигналы опорной частоты Т0 , на оси t3 - условные прямоугольные сигналы, положительные значения которых соответствуют измеряемым временным интервалам, а отрицательные их двухкратным расширениям. Измеряемый интервал t х1 между сигналом Т1 и первым следующим сигналом Т0 для примера равен 10/16 долей периода опорной частоты t 0. Принимаем m=2 и накапливаем интервалt 1 до прихода двух сигналов Т0, т.е. получаем t 1 = t х1+ t 0= 26t 0/16. Расширяем t 1 до 2t 1= 52t 0 /16, окончание которого фиксируется стоповым сигналом T2. При этом, подсчитывая число сигналов Т0 на интервале 2t 1 , получим: и x1= N1 - 2 = 1. Получили значение первого разряда отсчета х1 . Интервал времени t следующим сигналом 12. х2 между сигналом T2 и первым 12 t0 То составляет t х2 = 16 t х1 и вновь является измеряемым. Последовательно преобразуем t х2 в t 2 , t 2 в 2 t 2 и получаем x2 =1. Аналогично измеряем t х0= 8 t 0/16, t х4 » 15 t 0 /16 и получаем х3= 1, х4= 1. В итоге преобразований получен код х1 х2 х3 х4 = 1111. Воспользуемся формулой 10 для вычисления Таким образом, получен искомый результат. Если требуется получить максимальное быстродействие, то целесообразно взять кодирование при заданном разрешении. Для времени преобразования можно записать: близкое к рациональному где N число квантов. . 1nN От основания системы "р" зависит множитель (1+ р) 1np 1+ р , который принимает минимальное значение при 1np р Численное решение последнего уравнения равно р » 3,59 » 4. (14) Таким образом, при предложенном способе измерения временных интервалов максимальное быстродействие будет достигнуто при четырехричном кодировании в разрядах .(р = 4) и составит t np - 5m t 01oq4N (15) Вычисление измеренного временного интервала при этом производят по выражению n å (-1) t х » t 0 i=1 i -1 -i 4 ( xi + 1) (16) где хі = { 0, 1; 2, 3 }. Поскольку в предлагаемом способе используется малое расширение временного интервала (р = ( 2, 3, 4 ), осуществляемое обычно интеграторами, то достаточно легко обеспечить линейность преобразования и высокую помехоустойчивость. Примечательным также является то, что требования к точности преобразования и разрядах падают с ростом номера разряда, как это свойственно аналого-цифровому преобразованию с поразрядным уравновешиванием. Однако, при поразрядном уравновешивании напряжений и токов уменьшается отношение сигнал шум с ростом номера разряда, а в предлагаемом способе преобразования в код временных интервалов это соотношение остается постоянным, поскольку величина временного интервала. преобразуемого в разрядах, остается постоянной. Таким образом, предлагаемый способ измерения временных интервалов дозволяет получить максимально возможное быстродействие при фиксированном периоде опорного сигнала и заданном разрешении или точности. Это достигается при малых аппаратурных затратах и умеренных требованиях к быстродействию элементов, поскольку достижимая малая иена кванта зависит не от быстродействия элементов, а определяется стабильностью фронтов их срабатывания. Если абсолютная среднеквадратическая погрешность времени срабатывания элементов эквивалента e нестабильности 0 задания одного периода опорной частоты, то погрешность для интервалов преобразования, исходя из суммирования дисперсий независимых величин, может быть выражена как Эта величина ошибки справедлива для всех разрядов, но входит в конечный результата с весом 1-го разряда. Таким образом, самая быстродействующая система (m=2, р=4) обладает и свойством лучшего подавления случайной помехи. Известны измерители временных интервалов с інтерполяторами, например. [1, с.148-150; 2; 3; 4]. Эти устройства реализуют однократное аналоговое расширение измеряемого интервала и кодирование расширенного интервала. В их состав, как и в состав заявленного устройства, входит преобразователь временных интервалов в код с интерполятором. Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для измерения временных интервалов [1, с.148-1503], выбранное в качестве прототипа. Такие признаки прототипа, как преобразователь временных интервалов в код с интерполятором и узел блокировки внешнего входа, совпадают с существенными признаками заявленного устройства. Прототип не позволяет осуществить предложенный способ n-кратного преобразования, аналогичного поразрядному уравновешиванию, с получением n разрядов с р - ичным кодированием разрядов отсчета. Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения временных интервалов, содержащем преобразователь временных интервалов в код с интерполятором, узел блокировки внешнего входа, согласно изобретению дополнительно в его состав введены счетчик числа разрядов и элемент ИЛИ, причем внешний вход стартового сигнала соединен с первым входом узла блокировки, выход которого подан на первый вход элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом преобразователя временных интервалов с интерполятором, первый выход стоповых сигналов преобразователя подан на вход счетчика и второй вход элемента ИЛИ, выход сигнала окончания преобразования с выхода счетчика числа разрядов подан на второй вход узла блокировки. Структурная схема заявленного устройства для измерения временных интервалов представлена на фиг. 4. В его состав входят: узел блокировки (УзБ) 1 внешнего входа, имеющий входы стартового сигнала Т1 и сигнала Тn окончания преобразования, элемент ИЛИ 2, преобразователь 3 временных интервалов в код с интерполятором (ИПВК), счетчик 4 (Сч) числа разрядов кода отсчета. Выход узла 1 блокировки подан на первый вход элемента 2 ИЛИ, а выход элемента 2 соединен с входом преобразователя 3, выход которого подан на второй вход элемента 2 и вход счетчика 4, выход счетчика сигналов Тn окончания блокировки которого подан на второй вход узла 1. Второй выход преобразователя является выходом разрядов кода отсчета длительности временного интервала от сигнала Т1 до первого следующего за ним сигнала Т0 опорной частоты, которая задается генератором, обычно входящим в состав преобразователя 3. Устройство работает следующим образом. Счетчик 4 обнулен, преобразователь 3 находится в начальном состоянии. Узел блокировки открыт и приходящий извне стартовый сигнал Т1 проходит через узел 1 и элемент 2 на вход преобразователя 3, который, начиная с этого момента, отсчитывает m сигналов Т0 опорной частоты и расширяет в "р " раз полученный первый временной интервал до стопового сигнала Т2, во второй временной интервал. Подсчитывают число N1 периодов t 0 периодов опорной частоты, укладывающихся во второй интервал и являющееся отсчетом первого разряда. После прохождения сигнала Т1 узел 1 блокирует вход стартового сигнала извне. Сформированный в преобразователе 3 сигнал Т2 поступает через элемент ИЛИ 2 на вход преобразователя 3 как стартовый и процесс преобразования повторяется до формирования отсчета N 2 второго разряда и стопового сигнала Т3. Аналогичные циклы преобразования повторяются до формирования отсчета Nn n -го разряда и стопового сигнала Тn. Сигнал Тn идентифицируется на счетчике 4 и подается на вход узла 1 для снятия блокировки внешнего входа стартового сигнала T1. Длительность измеренного временного интервала t х по результатам кода (Ni) преобразования вычисляется по формуле (11).