Verfahren und Vorrichtung zur Analog/Digital-Umwandlung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analog/Digital-Umwand- lung an Rechenmaschinen und ähnlichen Einrichtungen, bei denen eine kontinuierlich variable Grösse in einen Ziffernwert umgewandelt werden soll.
Es existieren bereits verschiedene Vorschläge für derartige Analog/Digital-Umwandler, darunter auch solche, bei denen die kontinuierlich variierende umzuwandelnde Grösse in ein proportionales elektrisches Signal umgeformt und dieses dann in einen Ziffernwert umgewandelt wird. Das vorliegende Verfahren benützt ebenfalls die Umwandlung in ein elektrisches Signal, und zwar in eine frequenzvariable elektrische Schwingung. Zur Erzielung des Ziffernwertes der umzuwandelnden Grösse wird diese Schwingung mit einer anderen Schwingung bekannter Frequenz verglichen.
Für den unmittelbaren Vergleich der Perioden dauer oder Frequenz zweier Schwingungen sind bisher nur Verfahren bekannt, die eine Aufzeichnung des Verlaufes beider Schwingungen über einer Zeitachse erfordern und keine direkte Anzeige für das Verhältnis der beiden Periodendauern liefern. Bei allen anderen bekannten Verfahren wird nur ein mittelbarer Vergleich der Frequenzen beider Schwingungen vorgenommen, entweder durch Messung der Interferenzfrequenz beider Schwingungen oder durch Erzeugung eines Spektrums der Harmonischen der einen Schwingung und Feststellung der Lage der anderen Schwingung innerhalb dieses Frequenzspektrums. Alle diese Methode erfordern eine manuelle Betätigung zur Durchführung und ergeben keine direkte Anzeige der Messergebnisses.
Dagegen erfolgt bei dem Verfahren gemäss vorliegender Erfindung der Vergleich beider Schwingungen völlig selbsttätig und liefert ein direkt ablesbares Zahlenergebnis. Die erzielbare Messgenauigkeit ist direkt angebbar und kann sehr hoch gemacht werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die variable Grösse in eine elektrische Schwingung umgeformt wird, deren Periodendauer proportional dieser Grösse ist, und dass alle Perioden dieser Schwingung, die während einer vollen Periode oder einem ganzzahligen Bruchteil oder Vielfachen einer zweiten Schwingung auftreten, mittels einer selbsttätig wirkenden Schalteinrichtung festgestellt und durch Abzählen in einer Zähleinrichtung als Ziffernwert der umzuwandelnden Grösse ermittelt werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Zähleinrichtung, welche jene Perioden- einer der beiden zu vergleichenden Schwingungen ab zählt und anzeigt, die während der Schliessungszeit einer Schalteinrichtung der Zähleinrichtung zugeführt werden, wobei die Schalteinrichtung von der anderen der beiden zu vergleichenden Schwingungen derart gesteuert wird, dass ihre Schliessungszeit einer einzigen vollen Periode oder einem ganzzahligen Bruchteil oder Vielfachen oder vollen Periode dieser anderen Schwingung entspricht.
In den Fig. 1 bis 9 sind beispielsweise Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens und Diagramm zur Erläuterung ihrer Wirkungsweise dargestellt.
Fig. 1 dient zur Erläuterung des Prinzips des Messverfahrens.
Fig. 2 und 9 zeigen Ausführungsbeispiele der Schaltung.
Fig. 3 bis 8 zeigen Diagramme, die den Spannungsverlauf an verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig. 3 darstellen.
Das vorliegende Verfahren wird nachstehend in einem Ausführungsbeispiel beschrieben, bei welchem auf die an sich bekannte Umformung der variablen analogen Grösse in eine elektrische Schwingung mit proportionaler Periodendauer nicht näher eingegangen wird. Diese der umzuwandelnden Grösse in ihrer Frequenz proportionale Schwingung wird Zählschwingung genannt, zum Unterschied gegen eine Steuerschwingung, die zur Umwandlung der analogen Grösse in einem Ziffernwert gemäss dem vorliegenden Verfahren erforderlich ist.
Im Prinzipschema Fig. list 1 der Anschluss für die Zählschwingung, 2 der Anschluss für die Steuerschwingung. Die Schalteinrichtung 3 wird von der am Anschluss 2 angelegten Steuerschwingung so betätigt, dass eine Verbindung der Anschlussklemme 1 mit der Zähleinrichtung 4 nur während genau einer Periode der an Klemme 2 liegenden Steuerschwingung, oder einem bekannten ganzzahligen Bruchteil oder Vielfachen der Periode der Steuerschwingung erfolgt.
Das Verfahren bedingt, dass die Schwingung mit der grösseren Periodendauer stets an Klemme 2 als Steuerschwingung angelegt wird, damit während der Schliessungsdauer der Schalteinrichtung 3 eine möglichst grosse Zahl von Perioden der an Klemme 1 zugeführten Schwingung den Zähler 4 betätigen kann.
Da die Zähleinrichtung nur volle Perioden, aber keine Teile von Perioden anzuzeigen in der Lage ist, wächst die Genauigkeit, mit der das Verhältnis der Periodendauer beider Schwingungen angezeigt wird, mit grösser werdender Differenz der Periodendauer von Steuer- und Zählschwingungen. Um bei Schwingungen mit nur geringem Unterschied der Periodendauer die Genauigkeit des Vergleiches zu erhöhen, wird entweder die an Klemme 1 angelegte Zählschwingung erst mittels eines Vervielfachers um einen bekannten Faktor in der Frequenz erhöht, bevor sie über die Schalteinrichtung den Zähler betätigt, oder die an Klemme 2 liegende Steuerschwingung betätigt über einen Frequenzteiler mit bekanntem Teilverhältnis die Schalteinrichtung.
Welche der beiden Massnahmen zur Vergrösserung der Differenz der beiden zu vergleichenden Schwingungen getroffen wird, hängt von der Grössenordnung der zu vergleichenden Frequenzen und der maximal zulässigen Zählgeschwindigkeit der verwendeten Zähleinrichtung ab. Liegen die zu vergleichenden Periodendauern in der Grössenordnung der maximalen Zählgeschwindigkeit, so erfolgt eine Frequenzteilung der Steuerschwingung, während beim Vergleich von relativ zur maximalen Zählgeschwindigkeit langsamen Schwingungen eine Frequenzvervielfachung der Zählschwingung vorgenommen wird.
Eine Ausführungsform der in Fig. 1 mit 3 bezeichneten Schalteinrichtung ist in Fig. 2 dargestellt.
Sie besteht aus einer Röhrenkippschaltung 1 bekannter Ausführung mit zwei stabilen Stellungen, deren Eingang mit 2 und deren Ausgänge mit 4, 5 bezeichnet sind. Bekanntlich ist bei einer derartigen Kippschaltung stets eine Röhre stromführend (in Fig. 2 schraffiert gezeichnet), während die andere Röhre stromlos ist. Im gezeichneten Zustand ist dann die zwischen den Ausgangsklemmen 4 und 3 liegende Gleichspannung wesentlich niedriger als diejenige zwischen den Klemmen 5 und 3. Durch jeden negativen Impuls an der Eingangsklemme 2 gegen über 3 erfolgt ein Umkippen, die beiden Röhren wechseln ihre Funktion, und die an den Klemmen 4 und 5 liegenden Potentiale werden vertauscht.
Eine völlig gleichartig aufgebaute zweite Kippschaltung 6 mit der Eingangsklemme 7 und den Ausgangsklemmen 9, 10 wird von den am Ausgang 4 der Kippschaltung 1 auftretenden Spannungsände- rungen, aus denen der Kondensator 11 kurze Impulse erzeugt, gesteuert. Die an Klemme 9 liegende Gleichspannung wird über Widerstand 12 an den Kathodenwiderstand 13 der Röhre 14 gelegt und bewirkt eine negative Vorspannung der Gitterkathode dieser Röhre 14, deren Grösse von der Gleichspannung an Klemme 9 der Kippeinrichtung 6 abhängt. Im Ruhezustand (schraffierte Röhren sind stromführende) ist die Gleichspannung an Röhre 9 so hoch, dass der Anodenstrom der Röhre 14 völlig unterdrückt wird, auch wenn dem Gitter über die Klemmen 15, 16 und den hohen Widerstand 17 eine Wechselspannung aufgedrückt wird.
Durch den Startschalter 18 wird bei Beginn des Messvorganges über den Konden- sator 19 von der Batterie 20 ein kurzer negativer Impuls an der Eingangsklemme 7 der Kippeinrichtung 6 erzeugt, der diese zum Umkippen veranlasst und damit eine so niedrige Gleichspannung an Klemme 9 bewirkt, dass die positiven Halbwellen der an den Klemmen 15, 16 liegenden Wechselspannung genügen, um das Gitter der Röhre 14 vorübergehend positiv zu machen. In Fig. 3 ist der Verlauf der Gitterspannung von Röhre 14 dargestellt und der nach Betätigung des Schalters 18 zur Zeit t0 auftretende Sprung der negativen Gittervorspannung ersichtlich. Durch den auftretenden Gitterstrom bei positivem Gitter und den hohen Vorwiderstand 17 tritt eine Amplitudenbegrenzung der positiven Wechselspannungsamplituden auf.
Durch den im Anodenkreis von Röhre 14 liegenden Widerstand 21 fliessen also Stromstösse von der ungefähren Dauer einer Halbperiode der an den Klemmen 15, 16 liegenden Wechselspannung. Mittels Kondensator 22 werden aus diesen Stromstössen kurze Impulse gewonnen und der Eingangsklemme 2 der Kippeinrichtung 1 zugeführt. Da eine positive Gitterspannung an Röhre 14 ein Absinken von denen Anodengleichspannung zur Folge hat, sind die an Klemme 2 auftretenden Impulse zu Beginn jeder positiven Wechselspannungsamplitude am Gitter negativ gerichtet, an deren Ende aber positiv gerichtet, wie in Fig. 4 schematisch angedeutet. Da negative Impulse am Eingang 2 die Kippeinrichtung 1 umsteuern, tritt am Ausgang 5 eine starke Spannungsverminderung auf.
Die Spannung an Klemme 5 wird aber über Widerstand 23 und Kathodenwiderstand 24 zur Ein stellung des Arbeitspunktes der Verstärkerröhre 25 benützt und bewirkt im Ruhezustand eine Sperrung derselben. Das Absinken der Spannung an Klemme 5, das etwa entsprechend der schematischen Darstellung in Fig. 5 erfolgt, hat eine Verlagerung des Arbeitspunktes der Verstärkerröhre 25 auf den Normalwert zur Folge, so dass nunmehr eine an Klemme 26, 27 liegende Wechselspannung gemäss Fig. 8 entsprechend verstärkt am Arbeitswidèr- stand 28 auftritt. Der nach dem lersten negativen Impuls an Klemme 2 auftretende positive Impuls kann die Funktion der Kippeinrichtung I nicht beeinflussen.
Erst der zweite negative Impuls, der dem ersten genau nach Ablauf einer vollen Periode Ts der an Klemme 25, 16 liegenden Wechselspannung folgt, bewirkt ein Umkippen der Röhren von Kippschaltung 1, so dass gemäss Fig. 5 die Gleichspannung an Klemme 5 in diesem Augenblick wieder erhöht und die Verstärkerröhre 25 wieder gesperrt wird.
Der Verlauf der Gleichspannung an Klemme 4 der Kippschaltung 1 während dieser Vorgänge ist genau umgekehrt, entspricht also schematisch Fig. 6 und bewirkt, nach Differenzierung über Kondensator 11 an der Eingangsklemme 7 der Kippschaltung 6 zuerst einen positiven und später einen negativen Impuls, wie in Fig. 7 angedeutet ist. Während der positive Impuls auf die Kippschaltung 6 ohne wesentlichen Einfluss ist, erzwingt der negative Impuls deren Umkippen, so dass nunmehr die Ausgangsstellung erreicht ist und damit durch die an Klemme 9 auftretende hohe Gleichspannung die Eingangsröhre 14 wieder gesperrt ist. Da nunmehr keine weiteren Impulse mehr über Röhre 14 auf den Eingang der Kippschaltung 1 gelangen, verharrt die gesamte Einrichtung in diesem Ruhezustand, bis durch den Startschalter 18 ein neuer Messvorgang eingeleitet wird.
Die am Arbeitswiderstand 28 während genau einer Periode der Steuerwechselspannung an Klemme 15, 16 auftretende Zählwechselspannung der Klemmen 26, 27 wird über Kondensator 29, Gleichrichter 30 und Widerstand 31 in eine pulsierende Halbwellenspannung (in Fig. 8 stark gezeichnet) umgewandelt, die an Klemme 32 zur Verfügung steht.
Es ist danach durch die Schalteinrichtung nach Fig. 2 erreicht, dass nur während genau einer Periode der an den Klemmen 15, 16 liegenden Steuerwechselspannung, an der Ausgangsklemme 32 die an den Klemmen 26, 27 liegende Zählwechselspannung auftritt. Die Zählung der Halbwellenimpulse an Klemme 32, deren jeder einer ganzen Periode der Zählwechselspannung entspricht, erfolgt bei niedrigen Frequenzen mittels elektromechanischer Zählwerke, oder aber, besonders bei höheren Frequenzen, mittels elektronischer Zähler, die aus einer Reihenschaltung von Röhrenkippeinrichtungen aufgebaut sind. Derartige Zählvorrichtungen sind bekannt und ermöglichen eine direkte Ablesung der Zahl der auftretenden Stromstösse.
Die so ermittelte Zahl Z gibt dann aber, weil die Schalteinrichtung nach Fig. 2 nur während genau einer Periode Ts der Steuerschwingung für die Zählschwingungen durchlässig ist, das gesuchte Verhältnis der Periodendauer T,:T, der beiden Schwingungen an. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, dass die Genauigkeit des Vergleichs um so grösser ist, je grösser der Unterschied von Ts zu Tz ist, je grösser also : wird. Soll der Vergleich beider Periodendauern beispielsweise auf 0, 1 S genau erfolgen, so muss Z in der Grössenordnung von 1000 gelegen sein, da der Ergebnis jeweils nur bis auf eine ganze Periode Tz der Zählschwingung genau ist.
Eine weitere beispielsweise Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens zeigt Fig. 9, in welcher 1 die schwingungsgesteuerte Schalteinrichtung darstellt, mit den Eingangsklemmen 2, 3 für die Steuerschwingung, den Eingangsklemmen 5, 6 für die Zählschwingung, den Anschlüssen 7, 8 für die Zähleinrichtung 9 mit Anzeigevorrichtung 10 und der Startklemme 4 zur Einleitung des Messvorganges.
Die Steuerschwingung wird in einem Röhrengenerator erzeugt, der zur Erhöhung der Genauigkeit in bekannter Weise Schwingquarze benutzt, die wahlweise durch den Umschalter 12 eingeschaltet werden, so dass als Steuerschwingung den Klemmen 2, 3 verschieden grosse, genau bekannte Frequenzen zugeführt werden. Die zu ermittelnde Schwingung unbekannter Periodendauer liegt an den Klemmen 13, 14 und wird über den Schalter 15 entweder direkt oder über Vervielfacher 16 beziehungsweise Frequenzteiler 17 den Eingangsklemmen 5, 6 als Zählschwingung übermittelt. Die Einleitung des Messvorganges erfolgt über den Startschalter 18, der den erforderlichen negativen Impuls durch Aufladung des Kondensators 19 von der Batterie 20 an der Startklemme 4 erzeugt.
Mit dem Startschalter 18 ist der Schalter 21 zwangläufig gekuppelt, dessen Schliessung eine Rückstellung der Zähleinrichtung 9 mit der Anzeigevorrichtung 10 durch Erdung der Rückstellklemme 22 bewirkt.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung, das vorstehend für den Vergleich der Periodendauer zweier sinusförmiger Schwingungen dargestellt ist, lässt sich besonders dort mit Vorteil verwenden, wo die Periodendauer der Grundschwingung einer stark oberwellenhaltigen Wechselspannung ermittelt werden soll, wie sie häufig bei der Umformung von variablen mechanischen Grössen in elektrische Signale entsteht. Während die meisten anderen Verfahren zur Messung der Frequenz solcher oberwellenhaltiger Schwingungen durch diese Oberwellen stark gestört werden, wird das vorliegende Verfahren kaum beeinträchtigt, da es im wesentlichen nur die Nulldurchgänge der zu messenden Wechselspannung benützt und damit die Grundfrequenz exakt ermittelt, unabhängig vom Vorhandensein von Oberwellen.
Auch stark gedämpfte Schwingungszüge mit unregelmässiger Aufeinanderfolge, oder ein einzelner stark gedämpfter Schwingungszug kann bezüglich der Periodendauer mit dem Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung analysiert werden, was mit anderen Messverfahren nicht oder nur sehr unvollkommen gelingt. Für eine derartige Messung wird beispielsweise eine Einrichtung nach Fig. 2 benützt, wie sie vorstehend beschrieben ist und mittels des Startschalters 18 der Messvorgang eingeleitet.
Trifft dann zu einem vorher unbekannten Augenblick der gedämpfte Schwingungszug an den Eingangsklemmen 15, 16 auf die Messeinrichtung und liegt an den Klemmen 26, 27 eine Zählwechselspannung genügend hoher Frequenz, so ergeben sich am Ausgang 32 Impulse, deren Zahl die gesuchte Periodendauer der gedämpften Schwingung zu ermitteln gestattet. Wird für dieses Messergebnis automatische Regulierung mittels einer Druckvorrichtung vorgesehen, so kann die Rückstellung des Zählers und die erneute Freigabe der Messeinrichtung selbsttätig erfolgen und auf diese Weise die automatische Untersuchung von stark gedämpften Schwingungszügen in unregelmässigen zeitlichen Abständen vorgenommen werden.
Die mit dem vorliegenden Verfahren mögliche Ermittlung der Periodendauer einer unbekannten Schwingung durch die Dauer mehrerer Perioden einer bekannten Schwingung, macht dasselbe auch für die Messung der Wiederholungsfrequenz von Impulsen geeignet. Hierbei werden die Impulse als Steuersignal benützt zur Betätigung der Schalteinrichtung, wobei die Kurvenform der Impulse ohne Einfluss ist, da nur deren in positiver Richtung verlaufende Flanken benützt werden.
Sind mechanische Vorgänge zu untersuchen und ist deren Umwandlung in elektrische Schwingungen zu umständlich, so wird bei der Anwendung des vorliegenden Verfahrens zur Bestimmung der Periodendauer der mechanischen Vorgänge eine der Fig. 2 entsprechende Einrichtung verwendet, bei der die elektrisch arbeitende Schaiteinrichtung ersetzt ist durch einen mechanischen Schalter mit den entsprechenden Funktionen.