ИНТЕРПОЛИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ В ЦИФРОВОЙ КОД

Название	ИНТЕРПОЛИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ В ЦИФРОВОЙ КОД
Разработчик (Авторы)	Чулков Валерий Александрович, Нестеренко Степан Андреевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2561999
Дата регистрации	10.09.2015
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет"
Область применения (класс МПК)	G04F 10/04 (2006.01)

Описание изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технике измерения интервалов времени, в частности к устройствам для преобразования длительности однократных импульсов в цифровой код.

Уровень техники

Для измерения однократных интервалов времени применяются преобразователи время-код (ПВК) на основе счетчика импульсов, который заполняется импульсами генератора эталонной частоты в течение времени между стартовым и стоповым импульсами [1]. Недостаток устройств подобного типа заключается в ограниченной точности, поскольку методическая погрешность равна периоду эталонных импульсов.

Известны также устройства, реализующие тем или иным способом интерполяцию эталонного периода и позволяющие за счет этого повысить точность преобразования интервала времени в цифровой код. Это, прежде всего, нониусные преобразователи и преобразователи, использующие метод фазовой интерполяции.

Типовым представителем преобразователей первого типа является устройство, описанное в литературе [2], включающее пару автогенераторов с близкими периодами колебаний, один из которых работает непрерывно, а второй, работающий в старт-стопном режиме, запускается в моменты начала и окончания преобразуемого интервала. После этого подсчитывается число периодов генераторов до совпадения их импульсов во времени. Такой преобразователь отличается высокой точностью, однако имеет значительное «мертвое» время, в течение которого невозможно производить новый цикл преобразования.

Тот же недостаток свойствен и другой разновидности нониусных преобразователей - описанному в [3] дифференциальному интерполятору времени, в котором осуществляется пространственная развертка нониусного процесса. Устройство включает пару секционированных линий задержки, по которым распространяются подлежащие измерению сигналы, и множество триггеров, подключенных разноименными входами к соответствующим промежуточным отводам соответствующих линий задержки. Выходы всех триггеров соединены с входами постоянного запоминающего устройства, выполняющего преобразование зафиксированного триггерами термометрического кода в двоичный код.

Работающие на принципе фазовой интерполяции преобразователи формируют дополнительные точки отсчета внутри эталонного периода с помощью мультифазного кольцевого генератора (МКГ). Эти точки образуют субшкалу отсчета, по которой фиксируются временные позиции начала и окончания интервала внутри эталонного периода.

Известен цифровой интерполирующий измеритель интервала времени [4], который содержит эталонный генератор импульсов, выход которого присоединен через вентиль И к входу счетчика импульсов, при этом оставшийся вход вентиля И подключен к выходу триггера, входы которого служат входами сигналов пуска и останова устройства. Кроме того, имеется подключенная к выходу эталонного генератора последовательная цепь множества элементов задержки, выход каждого из которых соединен с входом сброса соответствующего дополнительного триггера, число которых равно числу элементов задержки. Выходы всех дополнительных триггеров присоединены к входам шифратора. Процесс измерения начинается после сброса счетчика импульсов и триггеров импульсом пуска, а завершается импульсом останова. Старшие разряды результата измерения образуются на выходах счетчика импульсов и отображают целое число эталонных периодов, укладывающихся в измеряемый интервал, а младшие разряды результата образуются на выходах шифратора и отображают дробную часть эталонного периода - остаток от деления интервала на эталонный период в единицах времени задержки элемента задержки. Недостаток данного аналога заключается в низкой точности измерения интервала времени, связанной с рассогласованием совокупной задержки всех элементов задержки и периода эталонного генератора.

Известен также цифровой преобразователь интервала времени на основе кольцевого генератора импульсов, множеством своих выходов присоединенного к входам измерительного модуля [5]. В данном устройстве не возникает проблемы рассогласования, поскольку сам кольцевой генератор и образован интерполирующими элементами задержки. Однако в этом аналоге приходится решать проблему стабилизации периода колебаний кольцевого генератора, выступающего в роли эталонного периода, что существенно усложняет устройство.

Среди известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для измерения интервала времени по патенту РФ №2260830 [6]. Устройство-прототип содержит многофазный кольцевой генератор импульсов, один из выходов которого присоединен к первому входу счетчика импульсов, первый и второй регистры с объединенными информационными входами, выходами связанные через соответственно первый и второй шифраторы с соответствующими входами блока вычитания. Имеется также триггер, один вход которого соединен с зажимом сигнала «Старт», а второй - с зажимом сигнала «Стоп» и тактовым входом третьего регистра, у которого информационные входы подключены к выходам счетчика импульсов, вторым входом присоединенного к выходу триггера.

Недостатки устройства-прототипа связаны с нестабильностью периода кольцевого генератора импульсов и различием задержек переключения первого и второго регистров, что ограничивает его точность. Кроме того, структура устройства-прототипа не допускает его построения на основе универсальной программируемой вентильной матрицы, в которой нет средств стабилизации периода кольцевого генератора импульсов.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение точности цифрового преобразования однократных интервалов времени и упрощение структуры устройства, обеспечивающее его реализацию на основе программируемой вентильной матрицы.

Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения в него дополнительно введены арифметический блок, четвертый регистр, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами кольцевого генератора импульсов, а выходы - с соответствующими объединенными информационными входами первого и второго регистров, вентиль ИЛИ, посредством которого тактовый вход четвертого регистра связан с зажимами сигналов «Старт» и «Стоп», и блок контроля периода кольцевого генератора импульсов. Вход блока контроля периода кольцевого генератора импульсов объединен с первым входом счетчика импульсов, при этом тактовые входы первого и второго регистров подключены к зажимам сигналов соответственно «Старт» и «Стоп» через соответствующие первый и второй элементы задержки. Выходы блока вычитания, третьего регистра и блока контроля периода кольцевого генератора импульсов присоединены к соответствующим цифровым входам арифметического блока.

Такое усовершенствование устройства позволяет устранить необходимость в стабилизации периода кольцевого генератора импульсов, который вместо этого непрерывно измеряется, а результат измерения используется для последующего вычисления значения преобразуемого интервала времени. Введение четвертого регистра, триггерные разряды которого в условиях программируемой вентильной матрицы размещаются в тех же ячейках, что и каскады кольцевого генератора импульсов, повышает точность фиксации состояния кольцевого генератора импульсов в моменты поступления сигналов «Старт» и «Стоп».

Описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема интерполирующего преобразователя интервала времени в цифровой код. Линии связи, отмеченные косой чертой, представляют собой многоразрядные цифровые шины.

На фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов в характерных узлах схемы, показанной на фиг. 1.

Осуществление изобретения

Устройство содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 регистры, кольцевой генератор 5 импульсов, счетчик 6 импульсов, первый 7 и второй 8 шифраторы, блок 9 вычитания, триггер 10, вентиль 11 ИЛИ, элементы 12 и 13 задержки, зажимы 14 и 15 сигналов соответственно «Старт» и «Стоп», блок 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов и арифметический блок 17.

Блок 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов в предпочтительном варианте осуществления может включать счетчик 18 импульсов, опорный генератор 19, регистр 20 и делитель 21 частоты. При этом вход делителя 21 частоты служит входом блока 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов, а его выходами являются выходы регистра 20.

Преобразованию подлежит интервал TX времени между не перекрывающимися во времени сигналами «Старт» и «Стоп», поступающими на зажимы соответственно 14 и 15. Устройство работает следующим образом.

Кольцевой генератор 5 импульсов непрерывно вырабатывает на своих N выходах последовательности импульсов формы «меандр» (фиг. 2 - диаграмма 5), смещенных друг относительно друга на время задержки его каскада tD, период импульсов составляет

Импульсы с одного из выходов этого генератора поступают на вход блока 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов, где их период делителем 21 частоты умножится в D раз (D - модуль делителя 21 частоты). В результате на входе сброса R счетчика 18 импульсов образуются импульсы с длительностью TR=DTG/2, равной паузе между ними. В течение этого времени счетчик 18 импульсов заполняется импульсами опорного генератора 19, достигая значения

где To - период импульсов опорного генератора 19. Таким образом выполняется непрерывный контроль периода колебаний кольцевого генератора 5 импульсов, который определяется выражением

Очевидно, что время задержки одного каскада кольцевого генератора 5 импульсов, которое определяет размер субкванта в устройстве, будет равно

По фронтам сигналов «Старт» и «Стоп» (фиг. 2 - диаграммы 14, 15) текущие состояния множества выходов кольцевого генератора 5 импульсов в виде термометрических кодов записываются в регистр 4, после чего с задержкой элементов 12 и, соответственно, 13 переписываются из регистра 4 в регистры соответственно 1 и 2. Шифраторы 7 и 8 преобразуют термометрические коды регистров 1 и 2 в двоичные числа, отражающие позиции фронтов сигналов «Старт» и «Стоп» внутри периода кольцевого генератора 5 импульсов. Эти числа равны количествам субквантов tD, укладывающихся на интервале от начала периода генератора 5 до фронта соответствующего сигнала. За начало периода генератора 5 принимается фронт импульса на его первом выходе. Если обозначить зафиксированные таким образом позиции сигналов «Старт» и «Стоп» через n1 и n2, то установленный за шифраторами 7, 8 блок 9 вычитания образует их разность (n2 - n1), которая может быть как положительной, так и отрицательной.

Одновременно осуществляется подсчет числа импульсов кольцевого генератора 5 импульсов, которые успевают выработаться за время между сигналами «Старт» и «Стоп». Подсчет производится счетчиком 6 импульсов, работа которого разрешается сигналом триггера 10 (фиг. 2 - диаграмма 10), продолжительность которого равна преобразуемому интервалу времени. Результат подсчета (фиг. 2 - диаграмма 6), фиксируемый в регистре 3 в момент поступления сигнала «Стоп», составляет

Число K либо равно, либо на единицу больше полного числа периодов TG, укладывающихся на преобразуемом интервале TX.

Таким образом, на входах арифметического узла 17 после окончания преобразуемого интервала оказываются числа: М - с выхода блока 16 контроля периода кольцевого генератора импульсов; K - с выхода регистра 3; (n2-n1) - с выхода блока 9 вычитания. Арифметический блок 17 выполняет далее расчет интервала времени TX по формуле, отражающей разность моментов поступления сигналов «Стоп» и «Старт» (фиг. 2):

Литература

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т.Т. 2. Пер. с англ. - Изд. 3-е, стереотип.- М.: Мир, 1986. - 590 с.- с. 372, рис. 14.29.

2. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП / ЦАП. - М.: Техносфера, 2006. - 392 с. - с. 25, рис. 2.4.

3. Differential time interpolator. - Патент США №4433919, МПК G04F 8/00. Опубл. 28.02.1984.

4. Шляпдин В.М. Цифровые измерительные устройства: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1981, с. 166, рис. 3.27.

5. Gated ring oscillator for a time-to-digital converter with shaped quantization noise. -Патент США №8138843, МПК H03K 3/03, G01R 23/175, G04F 10/04. Опубл. 20.03.2012.

6. Устройство для измерения интервала времени. - Патент РФ №2260830, МПК G04F 10/04. Опубл. 20.09.2005 (прототип).

Формула изобретения

1. Интерполирующий преобразователь интервала времени в цифровой код, содержащий кольцевой генератор импульсов, один из множества выходов которого присоединен к первому входу счетчика импульсов, первый и второй регистры с объединенными информационными входами, выходами связанные через соответственно первый и второй шифраторы с соответствующими входами блока вычитания, а также триггер, один вход которого соединен с зажимом сигнала «Старт», а второй - с зажимом сигнала «Стоп» и тактовым входом третьего регистра, у которого информационные входы подключены к выходам счетчика импульсов, вторым входом присоединенного к выходу триггера, отличающийся тем, что в него дополнительно введены арифметический блок, четвертый регистр, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами кольцевого генератора импульсов, а выходы - с соответствующими объединенными информационными входами первого и второго регистров, вентиль ИЛИ, посредством которого тактовый вход четвертого регистра связан с зажимами сигналов «Старт» и «Стоп», и блок контроля периода кольцевого генератора импульсов, вход которого объединен с первым входом счетчика импульсов, при этом тактовые входы первого и второго регистров подключены к зажимам сигналов соответственно «Старт» и «Стоп» через соответствующие первый и второй элементы задержки, а выходы блока вычитания, третьего регистра и блока контроля периода кольцевого генератора импульсов присоединены к соответствующим цифровым входам арифметического блока.

2. Интерполирующий преобразователь интервала времени в цифровой код по п. 1, отличающийся тем, что блок контроля периода кольцевого генератора импульсов выполнен в виде счетчика импульсов, первым входом присоединенного к выходу опорного генератора, а вторым входом совместно с тактовым входом регистра - к выходу делителя частоты, причем вход делителя частоты служит входом блока контроля периода кольцевого генератора импульсов, выходами которого являются выходы регистра, информационные входы которого присоединены к соответствующим выходам счетчика импульсов.

Изобретение "ИНТЕРПОЛИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ В ЦИФРОВОЙ КОД" (Чулков Валерий Александрович, Нестеренко Степан Андреевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога