Вимірювання частоти сигналів з великим періодом

При вимірі частоти сигналів з великим періодом для отримання високої точності і можливості дослідження динаміки процесу необхідно обчислювати частоту за значенням періоду між двома сусідніми сигналами від датчика. Значення частоти виходить в результаті ділення деякої константи на поточне значення періоду одночасно з процесом вимірювання, що важливо при дослідженні сигналів із змінною частотою, таких, наприклад, як частота серцевих скорочень. Можливість спостереження процесу аритмії є досить корисним властивістю.
В [1] запропоновано метод вимірювання, заснований на принципі кусково-лінійної апроксимації графіка функції у = а / х, де відбувається не розподіл, а віднімання на відрізках апроксимації графіка, що дає значну абсолютну похибку вимірювання. Запропонований у даній статті метод дозволяє здійснювати безпосередньо операцію ділення, тим самим отримати більшу точність.
В основу запропонованого методу покладено принцип лічильника із змінною ємністю. Функціональна схема побудови такого пристрою показана на рис.1.


Рис.1

Операція поділу а / х відбувається наступним чином. У лічильник U2 записується х число імпульсів, що приходять від генератора G1 за один період між двома сусідніми сигналами від датчика. Регістр U4 запам'ятовує це значення на час рахунку. Пристрій U1 формує пачку імпульсів, за кількістю рівну значенню а, і передає в лічильник U3. При збігу кодів на виходах лічильника U3 і регістра U4, де записаний код числа х, на виході елемента U5 з'явиться короткий позитивний імпульс, який скине показання лічильника U3. Таким чином, ємність лічильника буде визначатися кодом числа х. Даний цикл продовжиться, поки не закінчиться послідовність імпульсів з пристрою U1. Число імпульсів, отриманих на виході елемента U5 за час рахунку, і буде шуканим значенням а / х.
Розрахунок частоти проходження імпульсів проводиться за формулою F = 60/Tп, де Тп – період у секундах між двома імпульсами. Нижня межа вимірювання визначається максимальним значенням періоду, що дорівнює (2 n – 1) * t, де (2 n – 1) – максимальна місткість лічильника, a dt-дискретність вимірювання періоду, що дорівнює 1/fG1. Кількість імпульсів, що виробляються пристроєм U1, так само 60fG1.


Рис. 2 Принципова схема

Один з варіантів схемотехнічне реалізації пропонованого способу показаний на рис.2 при n = 7 і dt = 0,01 с. Розглянемо роботу пристрою при Тп = 1с.
При надходженні на вхід позитивного імпульсу на виході елемента DD1.3 утворюється короткий негативний імпульс, який перемкне RS-тригер на елементах DD4.2 і DD4.3, і через інвертор DD1.4 встановить лічильник DD5 в нульове стан. При появі високого рівня на виході DD4.3 почне працювати генератор на елементах DD1.1 і DD1.2, а також припиниться запис у регістри DD7 і DD8, де збережеться значення попереднього періоду. При частоті 102,4 Гц генератора елементах DD2.1, DD2.2 і DD2.3 це значення дорівнює 102.
Формувач серії імпульсів працює таким чином. Імпульси від генератора на елементах DD1.1, DD1.2 надходять на входи лічильників DD3 і DD6. При досягненні лічильником DD3 значення 6144 на виході елемента DD1.4 з'явиться негативний імпульс, який перемкне RS-тригер в початковий стан, а він, у свою чергу, припинить роботу генератора. Час заповнення лічильника DD3 до значення 6144 і буде визначати час рахунку.
Таким чином, на виході лічильника DD6 надійде серія з 6144 імпульсів. Коли лічильник досягає стану 102, на виходах всіх елементів DD9 і DD10 ("Виключати АБО") з'явиться рівень 0, а на виходах елементів DD11 – рівні 1. На виході елемента DD2.4 сформується рівень логічного нуля, який через інвертор DD4.4 встановить лічильник в початковий стан, після чого запис в нього буде продовжена. Отже, за 102 імпульсу, що прийшли на лічильник, утворюється один імпульс скидання, а за 6144 – 60 таких імпульсів. Детально робота лічильника з керованою ємністю розглянута в [2].
Нижня межа вимірювання дорівнює 49 імпульсам на хвилину. Верхня межа буде визначатися часом рахунку. При частоті генератора на елементах DD1.1, DD 1.2, рівний 120 кГц, час рахунку одно 0,05 с. Точність і межі вимірювання залежать від розрядності пристрою і дискретності вимірювання періоду, що дозволяє використовувати даний пристрій у широкому діапазоні частот.
Для налаштування приладу на вхід слід подати сигнал з частотою 1 або 0,5 Гц і добором резистора R6 встановити відповідні свідчення пристрої індикації. Якщо при розрахунку пристрою виникає необхідність отримання числа імпульсів в серії, що описуються більш ніж двома двійковими розрядами, замість елемента DD4.1 потрібно буде використовувати багатовхідних елемент "І-НЕ".
Використовуючи даний метод, можна також будувати пристрої для поділу однієї послідовності імпульсів на іншу.

    І. КОСТРЮКОВ, м. Москва

P.S. У запропонованому варіанті схемотехнічного рішення мікросхеми DD9 – DD11 можна замінити двома корпусами мікросхем К561ІП2. У колах живлення мікросхем слід встановити два-три блокувальних конденсатора ємністю 0,01 МКФ (на схемі не показані).

    ЛІТЕРАТУРА
    1. Чекін В. Вимірювання частоти сигналів з великим періодом. – Радіо, 1990, № 6, с. 57-59.
    2. Псурцев В. Лічильники з асинхронним скиданням. – Радіо, 1984, № 1, с.33, 34.
    Радіо № 5, 1994, стор.22