Misurazione della frequenza di segnali con un lungo periodo. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Quando si misura la frequenza di segnali con un periodo ampio, per ottenere un'elevata precisione e la capacità di tracciare la dinamica del processo, è necessario calcolare la frequenza dal valore del periodo tra due segnali adiacenti provenienti dal sensore. Il valore della frequenza si ottiene dividendo una determinata costante per il valore corrente del periodo contemporaneamente al processo di misurazione, che è importante quando si studiano segnali con una frequenza variabile, come la frequenza cardiaca. La capacità di monitorare il processo aritmico è una caratteristica molto utile.

In [1] è stato proposto un metodo di misurazione basato sul principio dell'approssimazione lineare a tratti del grafico della funzione y=a/x, in cui sui segmenti dell'approssimazione del grafico non avviene la divisione ma la sottrazione, che fornisce un valore assoluto significativo errore di misurazione. Il metodo proposto in questo articolo permette di effettuare direttamente l'operazione di divisione, ottenendo così una maggiore precisione.

Il metodo proposto si basa sul principio di un contatore a capacità variabile. Lo schema funzionale di tale dispositivo è mostrato in Fig. 1.

Fig. 1. Schema funzionale

L'operazione di divisione a/x avviene come segue. Il contatore U2 registra un numero x di impulsi provenienti dal generatore G1 durante un periodo tra due segnali adiacenti provenienti dal sensore. Il registro U4 ricorda questo valore per tutta la durata del conteggio. Il dispositivo U1 genera un burst di impulsi pari in numero al valore a e lo trasmette al contatore U3. Se i codici alle uscite del contatore U3 e al registro U4, dove è scritto il codice per il numero x, corrispondono, all'uscita dell'elemento U5 apparirà un breve impulso positivo, che ripristinerà il contatore U3. Pertanto, la capacità del contatore sarà determinata dal codice del numero x. Questo ciclo continuerà fino al termine della sequenza di impulsi provenienti dal dispositivo U1. Il numero di impulsi ricevuti all'uscita dell'elemento U5 durante il tempo di conteggio sarà il valore desiderato di a/x.

La frequenza di ripetizione degli impulsi viene calcolata utilizzando la formula F = 60/Tp, dove Tp è il periodo in secondi tra due impulsi. Il limite inferiore di misurazione è determinato dal valore massimo del periodo, pari a (2n - 1)*t, dove (2n - 1) è la capacità massima del contatore, e dt è la discretezza della misurazione del periodo, pari a 1/fG1. Il numero di impulsi generati dal dispositivo U1 è 60fG1.

Fig.2. Diagramma schematico (clicca per ingrandire)

Una delle varianti di implementazione circuitale del metodo proposto è mostrata in Fig. 2 con n = 7 e dt = 0,01 s. Consideriamo il funzionamento del dispositivo a Tn=1s.

Quando viene ricevuto un impulso positivo all'ingresso, viene generato un breve impulso negativo all'uscita dell'elemento DD1.3, che commuterà il trigger RS ​​sugli elementi DD4.2 e DD4.3 e attraverso l'inverter DD1.4 imposterà il contatore DD5 a zero. Quando appare un livello alto sull'uscita DD4.3, il generatore sugli elementi DD1.1 e DD1.2 inizierà a funzionare e la scrittura sui registri DD7 e DD8 si fermerà, dove verrà salvato il valore del periodo precedente. Ad una frequenza di 102,4 Hz degli elementi generatori DD2.1, DD2.2 e DD2.3 questo valore è 102.

Il generatore di serie di impulsi funziona come segue. Gli impulsi dal generatore sugli elementi DD1.1, DD1.2 vengono forniti agli ingressi dei contatori DD3 e DD6. Quando il contatore DD3 raggiunge il valore 6144, all'uscita dell'elemento DD1.4 apparirà un impulso negativo, che riporterà il trigger RS ​​al suo stato originale e, a sua volta, interromperà il funzionamento del generatore. Il tempo impiegato dal contatore DD3 per raggiungere il valore 6144 determinerà il tempo di conteggio.

Pertanto, all'uscita del contatore DD6 arriverà una serie di 6144 impulsi. Quando il contatore raggiunge lo stato 102, sulle uscite di tutti gli elementi DD9 e DD10 ("EXCLUSIVE OR") apparirà il livello 0 e sulle uscite degli elementi DD11 apparirà il livello 1. All'uscita dell'elemento DD2.4 uno zero logico si formerà un livello che riporterà tramite l'inverter DD4.4 il contatore allo stato iniziale, dopodiché continuerà la scrittura sullo stesso. Di conseguenza, per 102 impulsi che arrivano al contatore, viene generato un impulso di ripristino e per 6144 - 60 impulsi di questo tipo. Il funzionamento di un contatore con capacità controllata è discusso in dettaglio in [2].

Il limite inferiore di misurazione è di 49 impulsi al minuto. Il limite superiore sarà determinato dal tempo di conteggio. Quando la frequenza del generatore sugli elementi DD1.1, DD 1.2 è pari a 120 kHz, il tempo di conteggio è 0,05 s. La precisione e i limiti della misurazione dipendono dalla capacità in bit del dispositivo e dalla discrezione della misurazione del periodo, che consente di utilizzare il dispositivo in un'ampia gamma di frequenze.

Per configurare il dispositivo, applicare un segnale con una frequenza di 1 o 0,5 Hz all'ingresso e selezionare il resistore R6 per impostare le letture corrispondenti del dispositivo indicatore. Se nel calcolo di un dispositivo si rende necessario ottenere il numero di impulsi di una serie descritta da più di due cifre binarie, invece dell'elemento DD4.1 sarà necessario utilizzare un elemento NAND multi-ingresso.

Utilizzando questo metodo è anche possibile realizzare dispositivi per dividere una sequenza di impulsi in un'altra.

Nella versione proposta del progetto circuitale, i microcircuiti DD9 - DD11 possono essere sostituiti con due pacchetti di microcircuiti K561IP2. Nei circuiti di alimentazione dei microcircuiti (non mostrati nello schema) dovrebbero essere installati due o tre condensatori di blocco con una capacità di 0,01 μF.

Letteratura

1. Chekin V. Misurazione della frequenza dei segnali con un lungo periodo. - Radio, 1990, n. 6, pag. 57-59.
2. Psurtsev V. Contatori con ripristino asincrono. - Radio, 1984, n. 1, pp. 33, 34.

Autore: I.Kostryukov

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