способ и устройство для цифровой коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера (варианты)

Формула изобретения

1. Способ цифровой коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера, заключающийся в том, что измеряют усредненную частоту генератора за заданный интервал усреднения, отличающийся тем, что дополнительно определяют поправочный коэффициент соотношения измеренной частоты f_тг тактового генератора микроконтроллера к его номинальной частоте f_тг.ном , по формуле К_п=f_тг/f_тг.ном, измеренное микроконтроллером значение частоты f_c или длительности периода Т_с измеряемого внешнего сигнала соответственно умножают или делят на поправочный коэффициент К_п, или умножают на поправочный коэффициент К _п коды двоичных чисел, записываемых в управляющий регистр предустановки счетчика таймера микроконтроллера (при генерации прямоугольных импульсов с постоянной частотой) или в ячейки постоянного запоминающего устройства или память микроконтроллера, задающие длительности прямоугольных импульсов генерируемых последовательностей импульсов, следующих с переменной частотой.

2. Устройство для реализации способа цифровой коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера, предназначенное для измерения частоты промышленного напряжения, содержащее входную клемму, генератор прямоугольных импульсов, аналоговый компаратор, индикатор, первый и второй счетчики, первый - третий одновибраторы, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход переноса первого счетчика соединен с инверсным входом второго одновибратора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены источник опорного напряжения, двухпозиционный переключатель, первый и второй блоки множителя, таймер, D-триггер, элементы И и НЕ, сумматор, блок умножения, блок вычитания, блок деления, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика и входом захвата таймера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора и через второй регистр - с входом вычитаемого блока вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом второго счетчика, информационный выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого соединен с объединенными входом второго блока множителя и входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу второго блока множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра, вход управления записью которого объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу переноса первого счетчика, выход второго одновибратора соединен с объединенными входом управления записью второго регистра, входом установки нуля второго счетчика и тактовым входом D-триггера, информационный вход которого подключен к шине единичного потенциала, а прямой выход соединен с вторым входом элемента И, третий вход которого объединен с входом третьего одновибратора и подключен к выходу элемента НЕ, вход которого через контакты двухпозиционного переключателя соединен с шинами нулевого и единичного потенциала, выход элемента И соединен с входом управления записью второго блока множителя, инверсный выход третьего одновибратора соединен с входом установки нуля D-триггера.

3. Устройство для реализации способа цифровой коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера, предназначенное для измерения длительности периода сигналов, содержащее входную клемму, генератор прямоугольных импульсов, аналоговый компаратор, индикатор, первый и второй счетчики, первый - третий одновибраторы, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход переноса первого счетчика соединен с инверсным входом второго одновибратора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены таймер, D-триггер, элементы И и НЕ, двухпозиционный переключатель, сумматор, первый и второй блоки умножения, блок вычитания, блок деления, первый - третий блоки множителя, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика и входом захвата таймера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора и через второй регистр - с входом вычитаемого блока вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом второго счетчика, информационный выход которого соединен с первым входом первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого соединен с объединенными входом второго блока множителя и первым входом второго блока умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего блока множителя, а выход соединен с входом делимого блока деления, вход делителя которого подключен к выходу второго блока множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра, вход управления записью которого объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу переноса первого счетчика, выход второго одновибратора соединен с объединенными входом управления записью второго регистра, входом установки нуля второго счетчика и тактовым входом D-триггера, информационный вход которого подключен к шине единичного потенциала, а прямой выход соединен с вторым входом элемента И, третий вход которого объединен с входом третьего одновибратора и подключен к выходу элемента НЕ, вход которого через контакты двухпозиционного переключателя соединен с шинами нулевого и единичного потенциала, выход элемента И соединен с входом управления записью второго блока множителя, инверсный выход третьего одновибратора соединен с входом установки нуля D-триггера.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано для повышения точности измерения или задания частоты сигналов или длительности интервалов времени, а также генерации прямоугольных импульсов постоянной или «качающейся» частоты.

Наиболее близким к предлагаемому является способ настройки гармонического кварцевого генератора Пирса [1], согласно которому рекомендуется производить настройку генератора путем изменения емкости подстроечного конденсатора, входящего в состав колебательного L-C контура.

Недостатками данного способа являются узкий диапазон изменения частоты генератора, неудобство, обусловленное большими затратами времени для получения результата, а также ограниченная точность.

Прототипом устройства для реализации предлагаемого способа является система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения [2], содержащая входную клемму, аналоговый компаратор, генератор эталонной частоты, делители частоты, два оперативных запоминающих устройства, два двоично-десятичных счетчика, четыре двоичных счетчика, два шифратора, два распределителя уровней, два индикатора, три триггера, регистр, многоканальный коммутатор, элементы И и ИЛИ, многопозиционный и двухпозиционный переключатели, кнопку управления.

Недостатками прототипа-устройства являются узкие функциональные возможности, сложность схемы, слишком большой интервал усреднения наблюдаемой частоты (10 минут), снижающий быстродействие прототипа, недостаточно высокая точность.

Техническая задача, решаемая изобретением, - повышение точности и удобства коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера.

Указанная техническая задача решается благодаря тому, что при способе настройки гармонического кварцевого генератора Пирса, согласно которому измеряют частоту генератора, применяют способ измерения усредненной частоты генератора за заданный интервал усреднения, дополнительно определяют поправочный коэффициент соотношения измеренной частоты _тг тактового генератора микроконтроллера к его номинальной частоте _тг.ном по формуле К_п=f_тг /f_тг.ном, измеренное микроконтроллером значение частоты _c или длительности периода Т_с измеряемого внешнего сигнала, соответствено, умножают или делят на поправочный коэффициент К_п, или умножают на поправочный коэффициент К_п коды двоичных чисел, записываемых в управляющий регистр предустановки счетчика таймера микроконтроллера (при генерации прямоугольных импульсов с постоянной частотой) или в ячейки постоянного запоминающего устройства или память микроконтроллера, задающие длительности прямоугольных импульсов генерируемых последовательностей импульсов, следующих с переменной частотой.

Указанная техническая задача (в первом варианте устройства для реализации способа цифровой коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера, предназначенном для измерения частоты промышленного напряжения) решается в устройстве для реализации предлагаемого способа благодаря тому, что в систему для измерения отклонений частоты промышленного напряжения, содержащую входную клемму, генератор прямоугольных импульсов, аналоговый компаратор, индикатор, первый и второй счетчики, первый-третий одновибраторы, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход переноса первого счетчика соединен с инверсным входом второго одновибратора, дополнительно введены таймер, D-триггер, элементы И и НЕ, двухпозиционный переключатель, сумматор, блок умножения, блок вычитания, блок деления, первый и второй блоки множителя, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика и входом захвата таймера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора и через второй регистр с входом вычитаемого блока вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом второго счетчика, информационный выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого соединен с объединенными входом второго блока множителя и входом делителя блока деления, вход делимого которого подключен к выходу второго блока множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра, вход управления записью которого объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу переноса первого счетчика, выход второго одновибратора соединен с объединенными входом управления записью второго регистра, входом установки нуля второго счетчика и тактовым входом D-триггера, информационный вход которого подключен к шине единичного потенциала, а прямой выход соединен с вторым входом элемента И, третий вход которого объединен с входом третьего одновибратора и подключен к выходу элемента НЕ, вход которого через контакты двухпозиционного переключателя соединен с шинами нулевого и единичного потенциала, выход элемента И соединен с входом управления записью второго блока множителя, инверсный выход третьего одновибратора соединен с входом установки нуля D-триггера.

Указанная техническая задача (во втором варианте устройства для реализации способа цифровой коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера, предназначенном для измерения длительности периода сигналов) решается в устройстве для реализации предлагаемого способа благодаря тому, что в систему для измерения отклонений частоты промышленного напряжения, содержащую входную клемму, генератор прямоугольных импульсов, аналоговый компаратор, индикатор, первый и второй счетчики, первый-третий одновибраторы, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, выход переноса первого счетчика соединен с инверсным входом второго одновибратора, дополнительно введены таймер, D-триггер, элементы И и НЕ, двухпозиционный переключатель, сумматор, первый и второй блоки умножения, блок вычитания, блок деления, первый-третий блоки множителя, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика и входом захвата таймера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора и через второй регистр с входом вычитаемого блока вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом второго счетчика, информационный выход которого соединен с первым входом первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока вычитания, выход которого соединен с объединенными входом второго блока множителя и первым входом второго блока умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего блока множителя, а выход соединен с входом делимого блока деления, вход делителя которого подключен к выходу второго блока множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра, вход управления записью которого объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу переноса первого счетчика, выход второго одновибратора соединен с объединенными входом управления записью второго регистра, входом установки нуля второго счетчика и тактовым входом D-триггера, информационный вход которого подключен к шине единичного потенциала, а прямой выход соединен с вторым входом элемента И, третий вход которого объединен с входом третьего одновибратора и подключен к выходу элемента НЕ, вход которого через контакты двухпозиционного переключателя соединен с шинами нулевого и единичного потенциала, выход элемента И соединен с входом управления записью второго блока множителя, инверсный выход третьего одновибратора соединен с входом установки нуля D-триггера.

Существенными отличиями предлагаемого способа цифровой коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера являются следующие: применяют способ измерения усредненной частоты тактового генератора за заданный интервал усреднения, определяют поправочный коэффициент соотношения измеренной частоты тактового генератора микроконтроллера к его номинальной частоте, измеренное микроконтроллером значение частоты или длительности периода контролируемого внешнего сигнала соответственно умножают или делят на поправочный коэффициент и полученный результат отображают на индикаторе микроконтроллера. Совокупность указанных существенных отличий обеспечивает достижение положительного эффекта - повышение точности и удобства коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера.

Существенными отличиями различных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа являются введение дополнительных элементов: 1) источника опорного напряжения, фильтра нижних частот, сумматора, таймера, двухпозиционного переключателя, D-триггера, элементов И и НЕ, блока умножения, блока вычитания, блока деления, первого и второго блоков множителя; 2) таймера, D-триггера, элементов И и НЕ, источника опорного напряжения, двухпозиционного переключателя, сумматора, первого и второго блоков умножения, блока вычитания, блока деления, первого-третьего блоков множителя, фильтра нижних частот. Существенными отличиями также являются организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения точности и удобства коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера.

Схемы различных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа цифровой коррекции погрешности частоты тактового генератора микроконтроллера представлены соответственно на фиг.1 - первого варианта, предназначенного для измерения частоты промышленного напряжения, на фиг.2 - второго варианта, предназначенного для измерения длительности периода сигналов.

Схема первого варианта устройства для реализации предлагаемого способа представлена на фиг.1.

Схема устройства (фиг.1) содержит входную клемму 1, фильтр нижних частот (ФНЧ) 2, аналоговый компаратор (АК) 3, источник опорного напряжения (ИОН) 4, первый-третий одновибраторы 5-7, генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) 8, таймер 9, первый 10 и второй 11 регистры, первый 12 и второй 13 блоки множителя (БМ), блок 14 умножения (БУ), сумматор 15, блок 16 вычитания (БВ), блок 17 деления (БД), первый 18 и второй 19 счетчики, индикатор 20, D-триггер 21, элементы И 22 и НЕ 23, двухпозиционный переключатель 24. Входная клемма 1 через фильтр 2 нижних частот соединена с первым входом компаратора 3, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход компаратора 3 соединен с входом первого одновибратора 5, выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика 18 и входом захвата таймера 9, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 8 прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора 15 и через второй регистр 11 с входом вычитаемого блока 16 вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом второго счетчика 19, информационный выход которого соединен с первым входом блока 14 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока 12 множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора 15, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока 16 вычитания, выход которого соединен с объединенными информационным входом второго блока 13 множителя и входом делителя блока 17 деления, вход делимого которого подключен к выходу второго блока 13 множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра 10, вход управления записью которого подключен к выходу переноса первого счетчика 18, соединенному с первым входом элемента И 22 и инверсным входом второго одновибратора 6, выход которого соединен с объединенными входом управления записью второго регистра 11, входом установки нуля второго счетчика 19 и тактовым входом D-триггера 21, информационный вход которого подключен к шине единичного потенциала, а прямой выход соединен с вторым входом элемента И 22, третий вход которого объединен с входом третьего одновибратора 7 и подключен к выходу элемента НЕ 23, вход которого через контакты двухпозиционного переключателя 24 соединен с шинами нулевого и единичного потенциала, выход элемента И 22 соединен с входом управления записью второго блока 13 множителя, инверсный выход третьего одновибратора 7 соединен с входом установки нуля D-триггера 21, информационный выход первого регистра 10 соединен с информационным входом индикатора 20.

Схема второго варианта устройства для реализации предлагаемого способа представлена на фиг.2.

Схема устройства (фиг.2) содержит входную клемму 25, фильтр нижних частот (ФНЧ) 26, аналоговый компаратор (АК) 27, источник опорного напряжения (ИОН) 28, первый-третий одновибраторы 29-31, генератор 32 прямоугольных импульсов (ГПИ), таймер 33, первый 34 и второй 35 регистры, первый 36, второй 37 и третий 38 блоки множителя (БМ), первый 39 и второй 40 блоки умножения (БУ), сумматор 41, блок 42 вычитания (БВ), блок 43 деления (БД), первый 44 и второй 45 счетчики, индикатор 46, D-триггер 47, элементы И 48 и НЕ 49, двухпозиционный переключатель 50. Входная клемма 25 через фильтр 26 нижних частот соединена с первым входом компаратора 27, второй вход которого подключен к выходу источника 28 опорного напряжения, а выход компаратора 27 соединен с входом первого одновибратора 29, выход которого соединен с тактовым входом первого счетчика 44 и входом захвата таймера 33, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 32 прямоугольных импульсов, информационный выход соединен с первым входом сумматора 41 и через второй регистр 35 с входом вычитаемого блока 42 вычитания, а выход переполнения соединен с тактовым входом второго счетчика 45, информационный выход которого соединен с первым входом первого блока 39 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого блока 36 множителя, а выход соединен с вторым входом сумматора 41, выход которого соединен с входом уменьшаемого блока 42 вычитания, выход которого соединен с объединенными информационным входом второго блока 37 множителя и первым входом второго блока 40 умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего блока 38 множителя, а выход соединен с входом делимого блока 43 деления, вход делителя которого подключен к выходу второго блока 37 множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра 34, вход управления записью которого подключен к выходу переноса первого счетчика 44, соединенному с первым входом элемента И 48 и инверсным входом второго одновибратора 30, выход которого соединен с объединенными входом управления записью второго регистра 35, входом установки нуля второго счетчика 45 и тактовым входом D-триггера 47, информационный вход которого подключен к шине единичного потенциала, а прямой выход соединен с вторым входом элемента И 48, третий вход которого объединен с входом третьего одновибратора 31 и подключен к выходу элемента НЕ 49, вход которого через контакты двухпозиционного переключателя 50 соединен с шинами нулевого и единичного потенциала, выход элемента И 48 соединен с входом управления записью второго блока 37 множителя, инверсный выход третьего одновибратора 31 соединен с входом установки нуля D-триггера 47, информационный выход первого регистра 34 соединен с информационным входом индикатора 46.

Генератор 8 выполнен кварцевым, его частота равняется 1-20 МГц (в зависимости от необходимой точности).

Частота среза ФНЧ 2 выбирается равной 90 Гц.

Первый вариант устройства (предназначенного для измерения частоты), реализующего предложенный способ (фиг.1), работает следующим образом.

Рассмотрим работу устройства с момента, в который содержимое счетчиков 18 и 19 равно нулю. Емкость счетчика 18 равна числу периодов входного сигнала N_зад=10, за которые усредняется частота сети. Константа, содержащаяся в блоке 12, равна емкости таймера 9, К₁₂=2¹⁶ =65536. В блоке 13 содержится константа К₁₃=8000000000 (при частоте ГПИ 8, равной 8 МГц). Переключатель 24 находится в верхнем положении, соответствующем режиму «Измерение».

В начале очередного интервала усреднения и, соответственно, в начале очередного периода напряжения сети одновибратор 5 своим выходным импульсом увеличивает на единицу содержимое счетчика 18, а также воздействует на вход захвата таймера 9. В результате содержимое n таймера в момент перехода синусоидой входного напряжения через ноль переписывается в выходной регистр таймера 9.

Содержимое таймера продолжает нарастать далее с тактовой частотой. В моменты переполнения таймера 9 на его выходе переполнения появляется импульс, увеличивающий на единицу содержимое K₁₉ счетчика 19.

После окончания 10-го периода на выходе переноса счетчика 18 появляется импульс, запускающий одновибратор 6. Последний своим выходным импульсом обнуляет содержимое счетчика 19, а также переписывает в регистр 11 содержимое n_i таймера, соответствующее началу очередного интервала усреднения длиной в 10 периодов.

В конце очередного интервала усреднения в момент захвата в выходом регистре таймера 9 оказывается содержимое n _i+1 таймера.

На выходе БУ 14 в этот момент времени присутствует результат

К₁₄=K ₁₉2¹⁶.

Ко входу сумматора 15 приложены коды n_i+1 (с выхода таймера 9) и К₁₄ (с выхода БУ 14). На выходе сумматора 15 при этом присутствует результат

К₁₅=n_i+1+K ₁₉2¹⁶.

На выходе БВ 16 получаем код, пропорциональный длительности интервала усреднения частоты,

K₁₆=n_i+1+К₁₉2 ¹⁶-n_i.

На выходе БД 17 получаем код, пропорциональный усредненному за 10 периодов значению частоты,

Например, при номинальной частоте сети 50 Гц, частоте ГПИ 8, равной 8 МГц, за 10 периодов на выходе БВ 16 имеем результат

На выходе БД 17 присутствует код

К₁₇=8000000000/1600000=5000.

Этот код записывается импульсом с выхода переноса счетчика 18 в регистр 10 и отображается на индикаторе 20.

На индикаторе 20 отображается точное значение частоты (в рассмотренном примере «50,00») в том случае, если установленный кварцевый резонатор с номинальной частотой _кг.ном=8 МГц обеспечивает точное значение тактовой частоты в 8 МГц.

Однако реальные тактовые ГПИ, в том числе и кварцевые резонаторы, обычно имеют погрешность. Существуют способы уменьшения этой погрешности с помощью подбора емкости конденсаторов, или использования переменных конденсаторов, или применения других схемных решений, однако в итоге тактовый генератор все равно имеет некоторую погрешность.

Погрешность устройства-частотомера может быть существенно снижена предлагаемым способом следующим образом.

На входную клемму 1 устройства от прецизионного генератора (например, ГЗ-110) подается периодический сигнал (например, имеющий частоту 0,01 Гц), имеющий малую погрешность по частоте.

Перед началом настройки переключатель 24 переводится в нижнее положение, соответствующее режиму «Настройка». При этом на выходе элемента НЕ 23 появляется единичное напряжение, запускающее одновибратор 7, который своим выходным импульсом переводит D-триггер в нулевое состояние. Счетчик 18 находится в состоянии «9», предшествующем его переполнению.

Далее устройство работает так же, как и при измерении.

При первом срабатывании компаратора 3 счетчик 18 переполняется, на его выходе переполнения появляется импульс, который не пропускается через элемент И 22 на вход управления записью блока 13. После окончания этого импульса запускается одновибратор 6, который переводит D-триггер в единичное состояние. Выходное единичное напряжение с прямого выхода D-триггера прикладывается ко входу элемента И 22.

В момент появления второго импульса на выходе переноса счетчика 18 (через 1000 с) на выходе БВ 16 имеем (с учетом погрешности кварцевого генератора), например,

K₁₆=8001206800.

Это значение соответствует частоте кварцевого генератора, усредненной на интервале в 1000 с: _кг=8,0012068 МГц.

Теперь импульс с выхода переноса счетчика 18 проходит через элемент И 23 и записывает константу К₁₆=8001206800 в блок 13.

После перевода переключателя 24 в верхнее положение нулевым напряжением с выхода элемента НЕ 23 элемент И 22 закрыт для прохождения импульса с выхода переноса счетчика 18 - содержимое блока 13 в режиме измерений остается неизменным.

Рассмотрим на примере, как будет работать устройство с учетом проведенной корректировки.

Например, при номинальной частоте сети 50 Гц за 10 периодов на выходе БВ 16 имеем результат (при частоте тактового генератора _тг = 8,0012068 МГц)

К₁₆ =n_i+1+K₁₉2¹⁶-n_i=1600241.

На выходе БД 17 появляется код (с учетом того, что К₁₃=80012068)

К₁₇=8001206800/1600241=5000.

Если бы указанная корректировка не была проведена, то на выходе БД 17 имел бы место результат

К ₁₇=8000000000/1600241=4999.

Второй вариант устройства (предназначенного для измерения длительности периода сигналов), реализующего предложенный способ (фиг.2), работает следующим образом.

В начальный момент времени содержимое счетчиков 44 и 45 равно нулю. Емкость счетчика 44 равна числу периодов входного сигнала N_зад=10, за которые усредняется измеряемое значение периода. Константа, содержащаяся в блоке 36, равна емкости таймера 33, К₃₃=2¹⁶ =65536. В блоке 38 содержится константа К₃₈=10 ⁸ (для индикации периода в микросекундах).

Рассмотрим работу измерителя периода при нижнем положении переключателя 50, задающем режим «Настройка».

Устройство, изображенное на фиг.2, работает аналогично устройству-частотомеру (фиг.1).

Через 1000 с после запуска на выходе БВ 42 получаем то же самое число (поскольку основная часть схемы устройства такая же, как и на фиг.1)

К₄₂ =n_i+1+К₄₅2¹⁶-n_i=8001206800,

которое записывается в БМ 37: К₃₇=К ₄₂=8001206800.

При переводе переключателя 50 в верхнее положение, соответствующее режиму «Измерение», через 10 периодов усреднения на выходе БД 43 имеем (при измерении периода сигнала, имеющего частоту 50 Гц)

Рассмотрим также варианты неавтоматической реализации предлагаемого способа.

Частота ГПИ 8 (фиг.1) или 32 (фиг.2) измеряется с помощью прецизионного частотомера (например, 43-38) за интервал времени 1000 с. Частотомер 43-38 (или любой прецизионный частотомер другого типа) в этом случае показывает значение 8001206800. При реализации устройств, схемы которых изображены на фиг.1 и фиг.2, на микроконтроллере (МК) перед записью программ в МК константы 8000000000 заменяются на 8001206800 в числителе формулы (1) или в знаменателе формулы (2). После этого программы записывают в микроконтроллеры - они готовы к более точной работе.

В том случае, если при частоте тактового генератора _тг=20,001206 МГц, в управляющий регистр таймера МК занести получающуюся с помощью прецизионного частотомера за 1 с константу 20001206, то на выходе совпадения таймера будет появляться 1 раз в секунду импульс длительностью 50 нс с погрешностью 0,5·10^-7. Используя далее полученный ежесекундный импульс для реализации электронных часов на базе МК, можно получить часы с уходом на 1,5 с в год.

Аналогичным образом может быть повышена точность работы генераторов прямоугольных колебаний качающейся частоты [3], содержащих ГПИ, таймер, задатчик кода основной частоты, счетчик, триггер, одновибраторы.

Эти генераторы также реализуются на МК. Коды в задатчике кода основной частоты необходимо скорректировать путем умножения на поправочный коэффициент K_п= _тг/ _тг.ном, после чего точность работы генераторов [3] будет также повышена за счет применения предлагаемого способа коррекции погрешности частоты.

Если использовать упрощенный вариант генератора [3], генерирующий прямоугольные импульсы с постоянной частотой, то в этом случае он содержит ГПИ, таймер, задатчик кода частоты, триггер. В управляющий регистр таймера МК заносят константу, получающуюся с помощью прецизионного частотомера за время, равное длительности периода генерируемой частоты. Например, если в приведенном примере за 1 с была получена константа 20001206, а генерируемая частота составляет 50 Гц, то заносимый в управляющий регистр таймера МК код (задающий по схеме [3] длительность одного полупериода) равен

К_т=0,5(20001206/50)=200012.

Применение предлагаемого способа также обеспечивает повышение точности работы ГПИ постоянной частоты.

Также эффективно применение предлагаемого способа при использовании микроконтроллеров, имеющих встроенный генератор тактовых импульсов. Погрешность встроенного генератора тактовых импульсов достигает 10%; отсутствуют внешние элементы, с помощью которых можно было бы снизить эту погрешность. Применение предлагаемого способа позволяет с помощью описанных выше примеров реализации на 1-2 порядка повысить точность работы МК со встроенным генератором тактовых импульсов.

Преимуществами предлагаемого способа и устройства по сравнению с известными являются повышение точности и удобства коррекции погрешности частоты тактового (как кварцевого, так и встроенного) генератора микроконтроллера, что повышает точность измерения частоты сигналов или длительности интервалов времени.

Источники информации

1. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - С.173, рис.19.50.

2. Патент 1485145 РФ, МКП G01R 23/02, G06F 17/18. Система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения. / В.Ф.Ермаков (РФ). - 1989, Бюл. № 21.

3. Ермаков В.Ф., Гудзовская В.А., Зайцева И.В., Федоров B.C. Генераторы качающейся частоты. // Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. г. Новочеркасск, 7 апр. 2008 г.: В 2-х ч. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2008. - 4.2. - С.56-57.