DD223808A1

DD223808A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur digitalen auswertung frequenzanaloger signale bzw. zur differenzfrequenzmessung

Info

Publication number: DD223808A1
Application number: DD26338084A
Authority: DD
Inventors: Harry Herold; Eugen-Georg Woschni
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1985-06-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur digitalen Auswertung frequenzanaloger Signale bzw. zur Differenzfrequenzmessung und eignet sich zur Messung elektrischer und nichtelektrischer Groessen wie elektrische Spannung, Faserfliese, Folien, Druecke, Wege usw., wobei die Messgroessen ueber Kapazitaets-, Induktivitaets-, Widerstandsaenderung u. a. in Frequenz- oder Periodendaueraenderungen umzuwandeln sind. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, die digitale Auswertung der frequenzanalogen Signale mit geringem technisch-oekonomischen Aufwand, einfachem Schaltungsaufbau und mit kurzer Messzeit zu realisieren. Erfindungsgemaess werden die Ausgangssignale zweier frequenzanaloger Messwandler nach Umwandlung in Rechteckschwingungen einen D-Flip-Flop derart zugefuehrt, dass das Ausgangssignal eine Rechteckschwingung ergibt, die eine Frequenz von genau der Differenzfrequenz der beiden zugefuehrten Signale hat. Da die Differenzfrequenz ein Mass fuer die Messgroesse ist, wird ueber eine Periodendauermessung, bei der auf ein Startsignal genau eine Periode herausgegriffen wird, die Differenzfrequenz in ein digitales Signal umgesetzt, das in einem Rechner weiter verarbeitet werden kann.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren ynd eine Anordnung zur digitalen Auswertung frequenzanaloger Signale und eignet steh zur Messung elektrischer und nichtelektrischer Großen ζ B zur Messung elektrischer Spannungen, Faserfliese Foliendicke, Wege, Drucke usw , wobei diese Meßgroßen durch entsprechende Wandler in äquivalente Frequenz oder Penodendaueranderungen umzuwandeln sind Weiterhin ist es damit möglich, direkt digitale Differenzfrequenzmessung durchzufuhren

Die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung in der Prozeßmeßtechnik bzw Betriebsmeßtechnik, da sie sich leicht an Digitalrechner ankoppeln laßt

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Frequenzanaloge Meßverfahren wandeln die nichtelektrische oder elektrische Meßgroße zunächst m eine Zwischengroße (Frequenz, Phasenwinkel, Periodendauer) um die dann durch weitere Umsetzung ausgewertet wird Die Auswertung der Zwischengroße durch weitere Umsetzung ist charakteristisch fur die Eigenschaften des frequenzanaiogen Meßverfahrens und Gegenstand dieser Erfindung

Bekannt ist die Umwandlung der Zwischengroße (Frequenz- Phasenanderung) in eine elektrische Spannung (FM-Demodulation) und nachfolgende weitere Umsetzung mittels eines Analog Dtgital-Umsetzers in ein digitales Ausgangssignal zum Zweck der Rechnerzufuhrung Bekannt sind auch direkte digitale Verfahren der Frequenz- und Periodendauermessung/3/ Häufig werden in frequenzanalogen Meßeinrichtungen zur Kompensation der Temperatur und Umgebungseinflusse zwei frequenzanaloge Meßwandler (z B Oszillatoren) mit gleichen Meßwertaufnehmern eingesetzt, wobei entweder nur ein Meßwertaufnehmer mit der eigentlichen Meßgroße oder beide Meßwertaufnehmer gegensinnig mit der Meßgroße beaufschlagt werden Man benotigt dann zwei derartige Meßanordnungen fur Frequenz- oder Penodendauermessung und bildet zur Eliminierung der Temperatur und Umgebungseinflusse die Differenz der digitalen Ausgangssignale/1/ In DD-WP 140082 wird vorgeschlagen, statt der Differenzbildung der digitalen Ausgangssignale die Differenzfrequenz der beiden Meßoszillatoren mittels einer Mischstufe zu erzeugen und diese nach Ausfilterung durch einen Tiefpaß mit Hilfe eines Vorwahlzahlers auszuwerten

Da in frequenzanalogen Meßanordnungen die Meßgroße der Änderung der Frequenz bzw der Penodendauer entspricht, ergeben sich infolge des Grundgesetzes der digitalen Zahlfrequenzmessung fur direkte digitale Frequenz- oder Penodendauermessung bei geforderter Auflosung (kleinste meßbare Frequenz- bzw Penodendaueranderung) entsprechend lange Meßzeiten und damit sehr schlechtes dynamisches Verhalten der Meßanordnung Das vorwiegend analoge Verfahren (FM-Demodulation mit nachfolgender AD-Umsetzung) hat zwar bedeutend bessere dynamische Eigenschaften, jedoch ist der Aufwand im analogen Teil bis zur Umsetzung in eine elektrische Spannung groß und dieser bestimmt auch die Genauigkeit des Meßverfahrens Beim Verfahren der Differenzfrequenzbildung (DDWP 140082) werden die Temperatur- und Umgebungseinflusse gut kompensiert, der Aufwand ist geringer als bei zwei getrennten Meßanordnungen und Differenzbildung der digitalen Ausgangssignale jedoch nfolge der analogen Bildung der Differenzfrequenz mittels Mischstufe, Verstarker und Tiefpaß noch betrachtlich Auf jeden Fall sind die große Meßzeit bei der digitalen Messung der Differenzfrequenz und der auf Grund des analogen Verfahrens große Schaltungsaufwand nachteilig

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, ein Meßverfahren und eine Meßanordnung zum Auswerten frequenzanaloger Signale zu entwickeln die einen einfachen Schaltungsaufbau hat und mit geringen technisch-ökonomischen Aufwand realisiert werden kann

-2- 263 380 3

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung hegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, die eine digitale Signalaufbereitung direkt vom Ausgang des frequenzanalogen Wandlers gestattet und Schwankungen der Versorgungsspannungen kompensiert

Zur Losung dieser Aufgabe wird das bekannte Prinzip der Kompensation von Temperatur und Umgebungseinflüssen durch Differenzbildung zweier Signale, die diese Einflüsse enthalten, genutzt, wobei aber die Differenzbildung der Ausgangssignale zweier frequenzanaloger Wandler (z B Oszillatoren) direkt mit digitalen Mitteln erfolgt Erfmdungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß die Ausgangssignale zweter frequenzanaloger Wandler nach Umformung in Rechteckschwingungen durch Impulsformerstufen derart einem D-Flip-Flop zugeführt werden daß ein Signal am Takteingang und das andere am D-Eingang liegt Das Ausgangssignal des D-Flip-Flop ist ebenfalls eine Rechteckschwingung, deren Frequenz aber genau der Differenzfrequenz der beiden zugefuhrten Rechteckschwingungen entspricht Zur Auswahl genau einer Periodendauer der Differenzfrequenz entnimmt man diese dem Q-Ausgang des D-Flip-Flop und fuhrt diese dem Takteingang zweier weiterer D-Flip-Flop zu Der Q-Ausgang des 2 D-Flip-Flop ist mit dem D-Eingang des 3 D-Flip-Flop und mit dem Eingang eines Und-Gliedes verbunden Am anderen Eingang des Und-Gliedes liegt der negierte Q-Ausgang des 3 D-Flip-Flop Auf ein Startsignal in Form eines 0-1-Sprunges am D-Eingang des 2 D-Flip-F!op liefert so der Ausgang des Und-Gliedes ein Zahlzeitsignal von genau einer Periodendauer der Differenzfrequenz, das dem Enable-Eingang eines Vor-Ruckwartszahlers zugeführt wird Am Takteingang des Zahlers liegt eine bekannte, möglichst konstante Frequenz, so daß der Zahlerausgang ein entsprechend dem Zahler kodiertes Zahlergebnis fur die Penodendauer liefert Fur die Wirkungsweise der Differenzfrequenzbildung mit dem 1 D-Flip-Flop ist maßgebend, daß das D-Flip-Flop bekanntlich die am D-Eingang liegende Information nur zum Zeitpunkt der Schaltflanke (z B 01-Flanke) des Taktes in den Q-Ausgang übernimmt, unabhängig davon, welche Signale vorher vorhanden waren und diese bis zur nächsten betreffenden Taktflanke speichert

Hier liegen die in Rechteckschwingungen umgeformten Ausgangssignale der frequenzanalogen Wandler mit f, am D-Eingang und f₂ am Takteingang (deren Frequenzen sich um die Differenzfrequenz Af = f-, - f₂ unterscheiden), so daß abwecnselnd 1_f_2_

mal hintereinander die Potentiale H und darauffolgend gleichoft die Potentiale L vom Signal am D-Eingang in den Ausgang übernommen werden. Dadurch, daß beim D-Flip-Flop Änderungen des Signals zwischen den Schaltflanken ohne Einfluß sind und in den Ausgang übernommene Information gespeichert wird, ist das Ausgangssignal eine Rechteckschwingung mit der Periodendauer T_M = — Da nach Voraussetzung die Differenzfrequenz Af ein Maß fur die zu messende Große ist, wird die

Differenzfrequenz durch Penodendauermessung ausgewertet. Mit einer Schaltung, bestehend aus zwei D-Flip-Flop und einem Und-Glied wird vermöge der Schiebekette mit zwei D-Flip-Flop auf ein Startsignal genau eine Periodendauer (zwei Halbperioden) der Differenzfrequenz herausgegriffen und am Zahler dem Enable-Eingang zugeführt Der Zahler zahlt wahrend dieser Periodendauer die Perioden einer konstanten Frequenz f₀ und liefert ein Zahlergebnis ζ = T_M f = Ia.

Zweckmaßigerweise wählt man eine Grunddifferenzfrequenz Af_G, die dem Nullwert der Meßgroße entspricht, um

— eine kleine Meßzeit zu erreichen,

— positive und negative Werte der Meßgroße leichter auswerten zu können

— bei Verwendung von Oszillatoren als frequenzanaloge Meßwandler ein gegenseitiges Mitziehen zu vermeiden

Fur die Ermittlung des Zahlergebnisses der Grunddifferenzfrequenz (Nullpunkt) schaltet man den Zahler auf Vorwartszahlen vom Wert Null an und erhalt nach T_M = 1 /Af_G ein Zahlergebnis Z₀ = f_o/Af_G Dieser Wert fur den Nullpunkt wird gespeichert und dient vor der nächsten Messung zur Zahlervoreinstellung, wenn nicht der ,Nullpunkt" neu ermittelt werden soll Anschließend erfolgt der eigentliche Meßvorgang, dazu wird der Zahler auf Ruckwartsbetneb geschaltet Der vom Zahler angezeigte Wert entspricht genau der Meßgroße, wobei positive Meßgroßen dadurch erkannt werden, daß der Zahler beim Ruckwartszahlen durch Null geht Die Kodierung ist aber fur positive und negative Meßgroßen gleich Die Schaltungsanordnung und das Verfahren haben somit folgende Vorteile

— digitale Signalaufbereitung direkt vom Ausgang der frequenzanalogen Wandler an,

— einfache Schaltung, damit geringer ökonomischer Aufwand

— kleine Meßzeit

— geringe Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung

Ausfuhrungsbeispiel

Die Meßgroße χ (ζ B Materialgehalt eines Garnes, Abweichung der Dicke einer Kunststoffolie vom Normal) erzeugt über einen Wandler 1 (z B Oszillator mit durch die Meßgroße beeinflußte Kapazität) eine Frequenzänderung Af ~ x, so daß fi = fio ^T -^f ist, wobei f₁₀ die Frequenz des Wandlers 1 bei χ = 0 ist

Der Wandler 2 hat den gleichen Aufbau wie Wandler 1, unterliegt jedoch nur den Umwelteinflüssen und erzeugt die Frequenz f₂ = f₂₀ Durch Differenzfrequenzbildung werden die Umwelteinflusse weitgehend eliminiert Als Zahler wird ein Vorwarts-/Ruckwartszahler 10 eingesetzt (Bild 1) Der Frequenzversatz fi₀ - U₀ stellt den Nullpunkt der Meßanordnung dar, d h

Nullpuntcterfassung und Zahlervoreinstellung

x = 0, Zahler als Vorwartszahler,

Zahlergebnis Z₀ = — f₀

40 ~~ Ti о

Nach dieser Vorbereitung und Zahlervorstellung erfolgt die eigentliche Messung χ = -x_m, Zahler als Ruckwartszahler

_f °

40 ~ ^T2 0 — -ІТ

ergibt

Dzw bei χ = +Xm, Zahler als Ruckwartszahler

ergibt 7._=r —T7^f ₀

fio - T;o ⁺ -ι'

om

-з- 263 380

Als Zählergebnis erhält man Az_n, = z_o - z_om. Bei positiver Meßgröße χ = +x_m wird z_om > z₀, der Zähler läuft dann durch Null; hieraus erhält man das Vorzeichen der Meßgröße. Der angezeigte Wert Az₁₁₁ entspricht dem Betrag der Meßgröße, wobei die Nullpunktwanderung durch Umgebungseinflüsse infoige der Differenzbildung kompensiert wurde.

Claims

1 Verfahren zur digitalen Auswertung frequenzanaloger Signale, gekennzeichnet dadurch, daß die Ausgangssignale zweier frequenzanaloger Wandler (1,2) durch Impulsformerstufen (3,4) in Rechteckschwingungen umgewandelt werden, diese einem D-Flip-Flop (5) derart zugeführt werden, daß das eine Signal am D-Eingang und das andere Signal am Taktemgang liegt und dadurch am Ausgang die Differenzfrequenz der Eingangssignale auftritt, aus der durch eine Kombination von 2D-Flip-Flop (6, 7) und einem UND-Glied (8) auf ein bestimmtes Startsignal eine halbe oder ein Vielfaches einer halben Penode herausgegriffen und einem Zahler (10) zur Penodendauermessung zugeführt werden

-1- 263 380 3

Erfindungsanspruche

2 Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß fur die Ermittlung des Zahlwertes der Grunddifferenzfrequenz der Zahler (10) vom Nullpunkt an auf Vorwartszahlen eingestellt ist, dieser Wert fur den Nullpunkt gespeichert wird und fur den Meßvorgang als Zahiervoreinstellung dient

3 Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß fur den Meßvorgang der Zahler (10) auf Ruckwartsbetrieb eingestellt ist und der vom Zahler (10) angezeigte Wert der Meßgröße entspricht, wobei negative Meßwerte dadurch erkannt werden, daß der Zahler (10) beim Ruckwartszahlen den Nullpunkt passiert

4 Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sowohl fur die Bestimmung der Grunddifferenzfrequenz als auch fur die Ermittlung des Wertes der Meßgroße ein Vorwartszahler verwendet wird und die Differenzbildung zur Ermittlung des eigentlichen Meßwertes in einem nachgeschalteten Rechner erfolgt

5 Anordnung zur Durchfuhrung der Verfahren nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß zwei parallel angeordneten frequenzanalogen Wandlern (1, 2) jeweils eine Impulsformerstufe (3, 4) nachgeschaltet ist, deren Ausgange so mit einem D-Flip-Flop (5) gekoppelt sind, daß der eine am Takt und der andere am D-Emgang liegt und dessen Q-Ausgang mit dem Takt Eingang zweier weiterer D-Flip-Flop (6,7) gekoppelt ist und daß der Q-Ausgang des zweiten D-Flip-Flop (6) mit dem D-Eingang des dritten D-Flip-Flop (7) und einem UND-Glied (8) dessen zweiter Eingang mit dem negierten Q-Ausgang des dritten D-Flip-Fiop (7) gekoppelt ist, verbunden wird und daß der Ausgang des UND-Gliedes (8) mit dem Enable-Eingang des Zahlers (10), vorzugsweise Vor-/Ruckwartszahler gekoppelt ist, an dessen Eingang eine konstante Frequenz anliegt, die durch einen zusätzlichen Oszillator (9) oder einem der beiden parallel angeordneten frequenzanalogen Wandler (1 2) realisiert sein kann

Hierzu 1 Seite Zeichnung