Messung der Frequenz von Signalen mit großer Periode. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik

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Bei der Messung der Frequenz von Signalen mit großer Periode ist es zur Erzielung einer hohen Genauigkeit und zur Verfolgung der Dynamik des Prozesses erforderlich, die Frequenz aus dem Wert der Periode zwischen zwei benachbarten Signalen des Sensors zu berechnen. Der Frequenzwert wird durch Division einer bestimmten Konstante durch den aktuellen Wert der Periode gleichzeitig mit dem Messvorgang ermittelt. Dies ist wichtig, wenn Signale mit sich ändernder Frequenz untersucht werden, beispielsweise die Herzfrequenz. Die Möglichkeit, den Arrhythmieprozess zu überwachen, ist eine sehr nützliche Funktion.

In [1] wurde eine Messmethode vorgeschlagen, die auf dem Prinzip der stückweisen linearen Approximation des Graphen der Funktion y=a/x basiert, wobei auf Segmenten der Approximation des Graphen keine Division, sondern eine Subtraktion erfolgt, was einen signifikanten Absolutwert ergibt Messfehler. Mit der in diesem Artikel vorgeschlagenen Methode können Sie die Divisionsoperation direkt durchführen und so eine höhere Genauigkeit erzielen.

Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf dem Prinzip eines Zählers mit variabler Kapazität. Das Funktionsdiagramm eines solchen Geräts ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb.1. Funktionsdiagramm

Die Division von a/x erfolgt wie folgt. Der Zähler U2 zeichnet die x Anzahl von Impulsen auf, die vom Generator G1 während einer Periode zwischen zwei benachbarten Signalen vom Sensor kommen. Register U4 merkt sich diesen Wert für die Dauer der Zählung. Das Gerät U1 erzeugt eine Reihe von Impulsen, deren Anzahl dem Wert a entspricht, und überträgt diese an den Zähler U3. Wenn die Codes an den Ausgängen des Zählers U3 und des Registers U4, in das der Code für die Zahl x geschrieben wird, übereinstimmen, erscheint am Ausgang des Elements U5 ein kurzer positiver Impuls, der den Zähler U3 zurücksetzt. Somit wird die Kapazität des Zählers durch den Code der Zahl x bestimmt. Dieser Zyklus wird fortgesetzt, bis die Impulssequenz von Gerät U1 endet. Die Anzahl der während der Zählzeit am Ausgang des Elements U5 empfangenen Impulse entspricht dem gewünschten Wert von a/x.

Die Pulswiederholungsrate wird nach der Formel F = 60/Tp berechnet, wobei Tp die Zeitspanne in Sekunden zwischen zwei Pulsen ist. Die untere Messgrenze wird durch den Maximalwert der Periode bestimmt, gleich (2n – 1)*t, wobei (2n – 1) die maximale Kapazität des Zählers ist und dt die Diskretheit der Periodenmessung ist, gleich 1/fG1. Die Anzahl der vom Gerät U1 erzeugten Impulse beträgt 60fG1.

Abb.2. Schematische Darstellung (zum Vergrößern anklicken)

Eine der Varianten der schaltungstechnischen Umsetzung des vorgeschlagenen Verfahrens ist in Abb. 2 mit n = 7 und dt = 0,01 s dargestellt. Betrachten wir den Betrieb des Geräts bei Tn=1s.

Wenn am Eingang ein positiver Impuls empfangen wird, wird am Ausgang des Elements DD1.3 ein kurzer negativer Impuls erzeugt, der den RS-Trigger an den Elementen DD4.2 und DD4.3 schaltet und über den Wechselrichter DD1.4 setzt der Zähler DD5 auf Null. Wenn am Ausgang DD4.3 ein hoher Pegel erscheint, beginnt der Generator an den Elementen DD1.1 und DD1.2 zu arbeiten und das Schreiben in die Register DD7 und DD8 stoppt, wo der Wert der vorherigen Periode gespeichert wird. Bei einer Frequenz von 102,4 Hz der Generatorelemente DD2.1, DD2.2 und DD2.3 beträgt dieser Wert 102.

Der Impulsreihengenerator funktioniert wie folgt. Impulse vom Generator an den Elementen DD1.1, DD1.2 werden den Eingängen der Zähler DD3 und DD6 zugeführt. Wenn der Zähler DD3 den Wert 6144 erreicht, erscheint am Ausgang des Elements DD1.4 ein negativer Impuls, der den RS-Trigger in seinen ursprünglichen Zustand versetzt und wiederum den Betrieb des Generators stoppt. Die Zeit, die der Zähler DD3 benötigt, um den Wert 6144 zu erreichen, bestimmt die Zählzeit.

Somit wird eine Reihe von 6 Impulsen am Ausgang des Zählers DD6144 ankommen. Wenn der Zähler den Zustand 102 erreicht, erscheint an den Ausgängen aller Elemente DD9 und DD10 der Pegel 0 („EXKLUSIV ODER“) und an den Ausgängen der Elemente DD11 der Pegel 1. Am Ausgang des Elements DD2.4 eine logische Null Es wird ein Pegel gebildet, der über den Inverter DD4.4 den Zähler in seinen Ausgangszustand versetzt und anschließend weiterschreibt. Folglich wird für 102 am Zähler ankommende Impulse ein Reset-Impuls erzeugt, und für 6144 - 60 solcher Impulse. Der Betrieb eines Zählers mit gesteuerter Kapazität wird ausführlich in [2] diskutiert.

Die untere Messgrenze liegt bei 49 Impulsen pro Minute. Die Obergrenze wird durch die Zählzeit bestimmt. Wenn die Generatorfrequenz an den Elementen DD1.1, DD 1.2 120 kHz beträgt, beträgt die Zählzeit 0,05 s. Die Genauigkeit und Grenzen der Messung hängen von der Bitkapazität des Geräts und der Diskretion der Periodenmessung ab, was den Einsatz des Geräts in einem weiten Frequenzbereich ermöglicht.

Um das Gerät zu konfigurieren, legen Sie ein Signal mit einer Frequenz von 1 oder 0,5 Hz an den Eingang an und wählen Sie den Widerstand R6 aus, um die entsprechenden Messwerte des Anzeigegeräts einzustellen. Wenn es bei der Berechnung eines Geräts erforderlich ist, die Anzahl der Impulse in einer Reihe zu ermitteln, die durch mehr als zwei Binärziffern beschrieben wird, müssen Sie anstelle des DD4.1-Elements ein NAND-Element mit mehreren Eingängen verwenden.

Mit dieser Methode ist es auch möglich, Geräte zur Aufteilung einer Impulsfolge in eine andere zu bauen.

In der vorgeschlagenen Version des Schaltungsdesigns können die Mikroschaltungen DD9 - DD11 durch zwei Mikroschaltungspakete K561IP2 ersetzt werden. In den Stromversorgungskreisen der Mikroschaltungen sollten zwei oder drei Sperrkondensatoren mit einer Kapazität von 0,01 μF installiert werden (im Diagramm nicht dargestellt).

Literatur

1. Chekin V. Messung der Frequenz von Signalen mit großer Periode. – Radio, 1990, Nr. 6, S. 57-59.
2. Psurtsev V. Zähler mit asynchronem Reset. - Radio, 1984, Nr. 1, S. 33, 34.

Autor: I. Kostrjukow

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