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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsvorrichtung zur hochpräzisen Laufzeitmessung zweier Signale, insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zur hochpräzisen Laufzeitmessung mindestens zweier digitaler Signale.
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Stand der Technik
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Die Laufzeitmessung ist eines der Schlüsselverfahren für die Implementation von Lokalisierungsalgorithmen. Laufzeitunterschiede von Signalen müssen heutzutage mit hoher zeitlicher Auflösung bestimmt werden, beispielsweise bei der Auswertung von Tomografiesignalen. Zudem spielt die Laufzeitmessung eine wichtige Rolle bei der Untersuchung verschiedenster physikalischer Effekte.
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Grobe Laufzeitmessung für große Zeitdifferenzen erfolgt vorrangig mit zählerbasierten Verfahren, wobei die Auflösung der Laufzeitmessung durch die Taktrate des Zählers begrenzt ist. Feine Laufzeitmessungen für kleine Zeitdifferenzen werden entweder mit analogen Verfahren oder unter Verwendung sogenannter Tapped Delay Lines (TDLs) durchgeführt. TDLs bieten den Vorteil einer rein digitalen und somit preiswerten Umsetzung.
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Eine TDL wird gewöhnlich als Kette von Verzögerungsgliedern („TDL elements“), welchen jeweils ein Flip-flop zugeordnet ist, realisiert. Eine solche TDL ist in dargestellt. Die Dateneingänge D der Flip-flops werden mit einem dem jeweiligen Flip-flop zugeordneten Abgriffpunkt („tab“) der Kette von Verzögerungsgliedern verbunden. Der Eingang der Kette von Verzögerungsgliedern wird mit einem ersten Signaleingang für ein erstes Messsignal S1 verbunden. Die Takteingänge CLK aller Flip-flops der TDL werden direkt mit einem zweiten Signaleingang für ein zweites Messsignal S2 verbunden. Vorzugsweise weist jedes Verzögerungsglied dieselbe Verzögerungszeit τ auf.
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Erreicht das erste Messsignal S1 den Dateneingang D eines Flip-flops, bevor das zweite Messsignal S2 den Takteingang CLK desselben Flip-flops erreicht, wird das Flip-flop in dem Moment, in dem das zweite Messsignal S2 den Takteingang CLK erreicht, den logischen Pegel des ersten Messsignals S1, der an seinem Eingang D anliegt, laden und auf seinem Ausgang Q [0..5] ausgeben. Im umgekehrten Fall, also wenn das zweite Messsignal S2 den Takteingang CLK erreicht, bevor das erste Messsignal S1 am Eingang D des Flip-flops anliegt, wird das Flip-flop die logische Inverse ausgeben. Dadurch trifft der Ausgangswert des Flip-flops eine Aussage darüber, welches der beiden Messsignale S1, S2 zuerst am Flip-flop eingetroffen war.
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Da nun das erste Messsignal S1 aufgrund der sich bei Durchlaufen der Kette von Verzögerungsgliedern erhöhenden Gesamtverzögerung am Dateneingang D jedes Flipflops zu einer anderen Zeit erscheint (siehe die Darstellung der zeitlichen Verhältnisse von Beispielsignalen S1, S2 oberhalb der TDL in ), kann eine zeitliche Verzögerung ΔT des zweiten Messsignals S2 gegenüber dem ersten Messsignal S1 bestimmt werden, indem die Ausgangswerte Q [0..5] aller Flip-flops der TDL betrachtet werden.
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Das in gezeigte Beispiel einer TDL kann eine Verzögerung nur bestimmen, wenn S2 später den logischen Pegel wechselt als S1. Eine TDL kann jedoch auch so modifiziert werden, dass eine Bestimmung eines Verzögerungswertes möglich ist, wenn das erste Messsignal S1 gegenüber dem zweiten Messsignal S2 verzögert ist.
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Die Genauigkeit der Messung ist durch die Verzögerungszeit τ eines Verzögerungsgliedes vorgegeben und beträgt bei gängigen Implementierungen ca. 50 ps. Der in gezeigte Ergebnisvektor [111100] würde also einer Verzögerung des zweiten Messsignals S2 gegenüber dem ersten Messsignal S1 von ca. 200 ps entsprechen. Die Messgenauigkeit (Zeitauflösung) von ca. 50 ps ist für viele Anwendungen zu gering.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Signalverarbeitungsvorrichtung und eine Messvorrichtung zur hochpräzisen Laufzeitmessung zweier Signale anzugeben, die eine höhere zeitliche Auflösung unter Beibehaltung der einfachen und preiswerten Implementierungsmöglichkeit von einfachen Logikelementen wie beispielsweise Flip-flops ermöglicht.
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US 7 265 599 B1 betrifft taktflankengesteuerte Flipflops welche beliebig langsame Flankentaktrate zulassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird daher eine Signalverarbeitungsvorrichtung zur Verarbeitung von digitalen Signalen offenbart, umfassend: einen ersten Signalspeicher mit einem ersten Signaleingang für ein erstes Eingangssignal, einem zweiten Signaleingang für ein zweites Eingangssignal, einem ersten Signalausgang für ein erstes Ausgangssignal und einem zweiten Signalausgang für ein zweites Ausgangssignal, wobei der erste Signalspeicher ausgebildet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem der logische Wert des ersten Ausgangssignals komplementär zum logischen Wert des zweiten Ausgangssignals ist, einen zweiten Signalspeicher mit einem Signaleingang für ein Eingangssignal, einem Signalausgang für ein Ausgangssignal, wobei der zweite Signalspeicher ausgebildet ist, ein Eingangssignal zu speichern und am Signalausgang als Ausgangssignal bereitzustellen, wobei der Signaleingang des zweiten Signalspeichers mit den Signalausgängen des ersten Signalspeichers signaltechnisch gekoppelt ist, wobei der erste Signalspeicher weiterhin ausgebildet ist, einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem der logische Wert des ersten Ausgangssignals dem logischen Wert des zweiten Ausgangssignals entspricht, wobei ein Logikgatter mit einem ersten Signaleingang, einem zweiten Signaleingang und einem Signalausgang für ein Ausgangssignal vorgesehen ist, wobei der erste Signaleingang mit dem ersten Signalausgang des ersten Signalspeichers, der zweite Signaleingang mit dem zweiten Signalausgang des ersten Signalspeichers, und der Signalausgang mit dem Signaleingang des zweiten Signalspeichers verbunden sind.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zwei Signalspeicher derart miteinander gekoppelt sind, dass ein transienter Übergangszustand des ersten Signalspeichers, der nur dann auftritt, wenn der erste Signalspeicher aus einem ungültigen Zustand bei einem hochgradig gleichzeitigen Umschalten beider Eingangssignale in einen gültigen Zustand übergeht, durch den zweiten Signalspeicher gespeichert wird. Somit kann für den Fall, dass ein transienter Übergangszustand des ersten Signalspeichers gespeichert wird, auf eine hochgradige Gleichzeitigkeit der beiden Eingangssignale geschlossen werden, die mit einer Zeitspanne korrespondiert, innerhalb der beide Eingangssignale umschalten müssen, damit ein transienter Übergangszustand entsteht.
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Da ein transienter Übergangszustand dann entstehen kann, wenn der erste Signalspeicher aus einem ungültigen Zustand bei einem hochgradig gleichzeitigen Umschalten beider Eingangssignale in einen gültigen Zustand übergeht, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der ungültige Zustand des ersten Signalspeichers auch dessen Grundzustand ist, d.h. derjenige Zustand, den der erste Signalspeicher einnimmt, sofern keines der zu detektierenden Eingangssignale anliegt.
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Da ein transienter Übergangszustand aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeiten von Signalspeichern (Logikgattern) lediglich im Falle eines höchst gleichzeitigen Umschaltens beider Eingangssignal ausgebildet werden kann, ist das Zeitfenster, in dem beide Eingangssignale umschalten, also eingehen müssen, entsprechend kurz, so dass die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsvorrichtung die Gleichzeitigkeit der beiden Eingangssignale mit einfachen Mitteln sehr hoch auflösen kann.
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Das Zeitfenster, in dem zur Erzeugung eines transienten Übergangszustands beide Eingangssignale eingehen müssen, wird insbesondere durch die Leitungswege innerhalb des Signalspeichers bzw. durch die Leitungswege zwischen den im Signalspeicher verwendeten Logikgattern bestimmt. Da sich die beiden Eingangssignale durch den Signalspeicher (d. h. beispielsweise durch die Logikgatter des Signalspeichers und zwischen den Logikgattern) mit hoher Geschwindigkeit ausbreiten, ist das Zeitfenster, in dem zur Erzeugung eines transienten Übergangszustands beide Eingangssignale eingehen müssen, entsprechend kurz.
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Mit der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung kann das Zeitfenster, in dem zur Erzeugung eines transienten Übergangszustands beide Eingangssignale eingehen müssen, auf 10 bis 100 Pikosekunden (ps) reduziert werden, d.h. dass ein zuerst eingehendes Eingangssignal den Signalspeicher bereits nach 10 bis 100 ps in einen gültigen Zustand schaltet, ohne dass ein transienter Übergangszustand entsteht, sofern nicht das später eingehende Eingangssignal ebenfalls innerhalb dieser kurzen Zeitspanne eingeht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante sind die Logikgatter des ersten Signalspeichers direkt nebeneinander angeordnet, sodass ein Rückkopplungs-Leitungsweg für die Rückkopplung zwischen den Logikgattern möglichst gering ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ein zwischen den Signalspeichern angeordnetes Logikgatter mit einem ersten Signaleingang, einem zweiten Signaleingang und einem Signalausgang für ein Ausgangssignal vorgesehen. Dieses Logikgatter ist vorzugsweise ausgebildet, ein (eindeutiges) logisches Signal in Abhängigkeit eines transienten Übergangszustands zu erzeugen, d.h. das logische Ausgangssignal des Logikgatters unterscheidet sich im Falle eines transienten Übergangszustands vom logischen Ausgangssignal bei allen anderen Zuständen. Vorzugsweise sind der erste Signaleingang mit dem ersten Signalausgang des ersten Signalspeichers, der zweite Signaleingang mit dem zweiten Signalausgang des ersten Signalspeichers und der Signalausgang mit dem Signaleingang des zweiten Signalspeichers verbunden. Vorzugsweise ist das zwischen den Signalspeichern angeordnetes Logikgatter als UND Gatter ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante weist der zweite Signalspeicher einen Steuereingang zum Zurücksetzen des zweiten Signalspeichers auf. Dies ist vorteilhaft, weil der zweite Signalspeicher einen einmal erzeugten transienten Übergangszustand dauerhaft speichert. Um die Signalverarbeitungsvorrichtung wiederholt nutzen zu können, ist es jedoch vorteilhaft, die Speicherung des einmal erzeugten transienten Übergangszustands zurücksetzen zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der zweite Signalspeicher ausgebildet, lediglich einen transienten Übergangszustand des ersten Signalspeichers zu speichern. Dies ist vorteilhaft, weil andere Zustände des ersten Signalspeichers (egal ob gültige oder ungültige Zustände) nicht gespeichert werden, so dass lediglich ein hochgleichzeitiges Eintreffen beider Eingangssignale am ersten Signalspeicher zu einer Speicherung im zweiten Signalspeicher führen können. Damit ist eine Auswertung eines im zweiten Signalspeicher gespeicherten Signals besonders einfach zu realisieren, da nicht zwischen unterschiedlichen gespeicherten Signalen unterschieden werden muss.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst der erste Signalspeicher ein erstes Logikgatter und ein zweites Logikgatter, wobei das erste Logikgatter einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang und einen Signalausgang aufweist und das zweite Logikgatter ebenfalls einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang und einen Signalausgang aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst der zweite Signalspeicher ein viertes Logikgatter und ein fünftes Logikgatter, wobei das vierte Logikgatter einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang und einen Signalausgang aufweist und das fünfte Logikgatter einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang und einen Signalausgang aufweist.
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Das zwischen den Signalspeichern angeordnete Logikgatter wird in diesem Zusammenhang als drittes Logikgatter interpretiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist ein Signaleingang des ersten Logikgatters mit dem ersten Signaleingang des ersten Signalspeichers verbunden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Signalausgang des zweiten Logikgatters mit den anderen Signaleingang des ersten Logikgatters verbunden ist, Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist ein Signaleingang des zweiten Logikgatters mit dem zweiten Signaleingang des ersten Signalspeichers verbunden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Signalausgang des ersten Logikgatters mit dem anderen Signaleingang des zweiten Logikgatters verbunden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Signalausgang des vierten Logikgatters mit einem Signaleingang des fünften Logikgatters verbunden, wobei der andere Signaleingang des fünften Logikgatters mit dem Steuereingang verbunden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Signalausgang des fünften Logikgatters mit demjenigen Signaleingang des vierten Logikgatters verbunden, der nicht mit dem Signalausgang des dritten Logikgatters verbunden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Signalausgang des ersten Logikgatters mit einem ersten Signalinverter gekoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Signalausgang des zweiten Logikgatters mit einem zweiten Signalinverter gekoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Signalausgang des vierten Logikgatters mit einem dritten Signalinverter gekoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Signalausgang des fünften Logikgatters mit einem vierten Signalinverter gekoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist sind das erste Logikgatter, das zweite Logikgatter, das vierte Logikgatter und das fünfte Logikgatter als ODER Gatter ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante weist die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsvorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die ausgebildet ist, aus dem im zweiten Signalspeicher gespeicherten Ausgangssignal einen maximalen Laufzeitunterschied zwischen dem ersten Eingangssignal und dem zweiten Eingangssignal zu bestimmen.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur hochpräzisen Laufzeitmessung mindestens zweier digitaler Eingangssignale kann die zeitlich hohe Auflösung der Signalverarbeitungsvorrichtung bezüglich der Gleichzeitigkeit der beiden Eingangssignale vorteilhaft nutzen, indem eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtungen entlang zweier (das erste und das zweite Eingangssignal) führenden Signalleitungen gekoppelt werden, wobei sich die Eingangssignale in den Signalleitungen in entgegengesetzter Richtung ausbreiten. In einem dem ersten Messeingang nächstgelegenen Bereich wird das erste Eingangssignal deutlich vor dem zweiten Eingangssignal in die jeweilige Signalverarbeitungsvorrichtung eingehen, sodass dort beim Umschalten vom Grundzustand (ungültiger Zustand) in einen gültigen Zustand (aufgrund des zuerst eintreffenden ersten Eingangssignals) kein transienter Übergangszustand hervorgerufen wird, während in einem dem zweiten Messeingang nächstgelegenen Bereich das zweite Eingangssignal deutlich vor dem ersten Eingangssignal in die jeweilige Signalverarbeitungsvorrichtung eingehen wird, sodass auch dort beim Umschalten vom Grundzustand (ungültiger Zustand) in einen gültigen Zustand (aufgrund des zuerst eintreffenden zweiten Eingangssignals) kein transienter Übergangszustand hervorgerufen wird. Lediglich in demjenigen Bereich, in dem beide Signale höchst gleichzeitig (also mit extrem geringen Laufzeitunterschieden) in die jeweilige Signalverarbeitungsvorrichtung eingehen, wird im ersten Signalspeicher kurzzeitig ein transienter Übergangszustand erzeugt, der dann durch den zweiten Signalspeicher gespeichert und als Ausgangssignal für die Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt wird. Die Auswerteeinheit kann dann bestimmen, bei welchen Signalverarbeitungsvorrichtung(en) jeweils beide Eingangssignale innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters eingegangen sind. Aus der Position derjenigen Signalverarbeitungsvorrichtung(en), die eine Gleichzeitigkeit signalisieren, kann dann präzise auf den Laufzeitunterschied geschlossen werden.
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Dazu weist die Messvorrichtung zur hochpräzisen Laufzeitmessung mindestens zweier digitaler Eingangssignale einen ersten Messeingang mit einer Signalleitung für ein erstes Eingangssignal und einen zweiten Messeingang mit einer Signalleitung für ein zweites Eingangssignal auf, wobei eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtungen vorgesehen sind, wobei jeweils der erste Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtungen mit der Signalleitung für das erste Eingangssignal und jeweils der zweite Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtungen mit der Signalleitung für das zweite Eingangssignal verbunden sind, und die jeweiligen Signaleingänge der Signalverarbeitungsvorrichtungen die Signalleitungen jeweils nacheinander kontaktieren, wobei die Signalausbreitungsrichtung der Signalleitung für das erste Eingangssignal entgegengesetzt zur Signalausbreitungsrichtung der Signalleitung für das zweite Eingangssignal verläuft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante sind die Signalausgänge der Signalverarbeitungsvorrichtungen mit einer Auswerteeinheit verbunden, die ausgebildet ist, aus den Ausgangssignalen der Signalverarbeitungsvorrichtungen einen Laufzeitunterschied zwischen dem ersten Eingangssignal und dem zweiten Eingangssignal zu bestimmen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder gleichartige Gegenstände. Es zeigen:
- 1 eine konventionelle Messvorrichtung zur Laufzeitmessung;
- 2 eine Signalverarbeitungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung,
- 3 eine Wahrheitstabelle zur Erläuterung der Wirkungsweise des ersten Signalspeichers der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung, und
- 4 eine Messvorrichtung zur präzisen Laufzeitmessung gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
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2 zeigt eine Signalverarbeitungsvorrichtung 300 gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
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Die Signalverarbeitungsvorrichtung 300 umfasst einen ersten Signalspeicher 100 und einen zweiten Signalspeicher 200.
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Der erste Signalspeicher 100 umfasst einen ersten Signaleingang 1 für ein erstes Eingangssignal S1 und einen zweiten Signaleingang 2 für ein zweites Eingangssignal S2. Weiterhin umfasst der erste Signalspeicher 100 einen ersten Signalausgang 13 für ein erstes Ausgangssignal Q und einen zweiten Signalausgang 23 für ein zweites Ausgangssignal Q.
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Weiterhin sind zwei ODER-Gatter 10, 20 vorgesehen, wobei das erste ODER-Gatter 10 neben dem Signaleingang 11, der mit dem Signaleingang 1 der Signalverarbeitungsvorrichtung 300 verbunden ist, einen weiteren Signaleingang 12 aufweist. Dieser weitere Signaleingang 12 fungiert als Eingang für ein erstes Rückkoppelungssignal, das mit dem Ausgang 23 des zweiten ODER-Gatters 20 verbunden ist, wobei der zweite Signalausgang 23 ebenfalls mit einem Inverter 24 gekoppelt ist. In gleicher Weise weist das zweite ODER-Gatter 20 neben dem Signaleingang 22, der mit dem Signaleingang 2 der Signalverarbeitungsvorrichtung 300 verbunden ist, einen weiteren Signaleingang 21 aufweist. Dieser weitere Signaleingang 21 fungiert als Eingang für ein zweites Rückkoppelungssignal, das mit dem Ausgang 13 des ersten ODER-Gatters 10 verbunden ist, wobei der erste Signalausgang 13 mit einem Inverter 14 gekoppelt ist.
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3 zeigt eine Wahrheitstabelle zur Erläuterung der Wirkungsweise des ersten Signalspeichers 100 der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung 300. Der erste Signalspeicher 100 ist als sogenanntes RS-Latch ausgeführt, wobei die NOR-Gatter 10, 14 sowie 20, 24 überkreuz miteinander verschaltet sind. Üblicherweise wird der Eingang 1 für das Eingangssignal S1 als S (für set) und der Eingang 2 für das Eingangssignal S2 als R (für reset) bezeichnet. Aufgrund der verwendeten Logik wird üblicherweise der Ausgang 23 für das zweite Ausgangssignal mit Q und der Ausgang 13 für das erste Ausgangssignal mit Q bezeichnet. Die Eingangskombination S = R = 0 ist als Speichern bekannt, da hierdurch der vorher mittels S oder R eingeschriebene Zustand beibehalten wird. Bei Anlegen der Eingangskombination S =R = 1 geht das NOR-basierte RS-Flipflop, also der erste Signalspeicher 100 in den sog. ungültigen Zustand über, der durch Q = Q = 0 charakterisiert ist. Denn sollten in diesem Zustand beide Eingänge höchst gleichzeitig auf S = R = 0 gesetzt werden, ist nicht vorhersagbar, ob das Flipflop in den Zustand Q = 1 und Q = 0 oder in den Zustand Q = 0 und Q = 1 übergeht. Unabhängig von dieser Tatsache geht der erste Signalspeicher 100 aber für eine sehr kurze Zeitspanne in den transienten Zustand Q = Q = 1 über. Das nachgeschaltete UND-Logikgatter 30 kann diesen transienten Zustand Q = Q = 1 zunächst gegenüber allen anderen möglichen Zuständen diskriminieren und der nachgeschaltete zweite Signalspeicher 200 kann diesen diskriminierten transienten Zustand dauerhaft speichern, bis der zweite Signalspeicher 200 mittels des Steuersignals 3 zurückgesetzt wird.
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Der zweite Signalspeicher 200 ist ausgebildet, das Auftreten des transienten Zustands im ersten Signalspeicher 100 dauerhaft speichern. Hierfür ist das RS-Flipflop gemäß dieser Ausführungsvariante eine mögliche Ausgestaltung. Natürlich kann für den zweiten Signalspeicher 200 auch ein anderes Flipflops verwenden. Als Beispiel kann das Und-gatter 30 an den clock-Eingang eines D-flipflops gehen, wobei der D-eingang auf 1 gesetzt wird. Oder man nimmt alternativ ein T-flipflop, wobei wiederum das UND-gatter an den Takteingang geht.
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Mit anderen Worten kennen die nachgeschalteten Einheiten 30, 200 das Vorliegen eines transienten Zustands, also das höchst gleichzeitige Eingehen der Eingangssignale S1 und S2, und speichern diesen kurzzeitig auftretenden transienten Zustand.
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Die Signalverarbeitungsvorrichtung 300 der 2 arbeitet mit low-aktiven Eingangssignalen S1 und S2 und einem low-aktiven Resetsignal am Steuereingang 3. Um die Signalverarbeitungsvorrichtung 300 in den Ausgangszustand zu versetzen (nachfolgend auch als Zurücksetzen bezeichnet), wird der Steuereingang 3 der Signalverarbeitungsvorrichtung 300 auf „low“ gesetzt. Nachfolgend werden die Signale S1 und S2 auf „high“ (bzw. auf 0) gesetzt. Nachfolgend wird der Steuereingang 3 deaktiviert (auf 0 gesetzt), um den Signalverarbeitungsvorrichtung 300 zu aktivieren. Dadurch wird die Signalverarbeitungsvorrichtung 300 in den ungültigen Zustand Q = Q = 0 versetzt. Dieser ungültige Zustand stellt somit den Grundzustand der Signalverarbeitungsvorrichtung 300 nach ihrer Aktivierung dar. Wechseln jetzt beide Signale S1 und S2 höchst gleichzeitig von 1 auf 0, wechseln aufgrund des transienten Zustands beide Ausgänge Q und Q auf 1. Wechseln beide Signale S1 und S2 nicht höchst gleichzeitig, wechseln beide Ausgänge Q und Q entweder in den Zustand Q = 1 und Q = 0 oder in den Zustand Q = 0 und Q = 1, wobei nicht vorhersagbar ist, welchen dieser Zustände der erste Signalspeicher 100 einnehmen wird.
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Lediglich im Falle des transienten Zustands (beide Ausgänge Q und Q auf 1), also des höchst gleichzeitigen Wechselns beider Signale S1 und S2 von 1 auf 0 kann das Gatter 30 auf 1 wechseln. Für den Fall, dass beide Signale S1 und S2 nicht höchst gleichzeitig wechseln (also bei low-aktiven Eingangssignalen nicht höchst gleichzeitig eingehen), wechseln die Ausgänge Q und Q entweder in den Zustand Q = 1 und Q = 0 oder in den Zustand Q = 0 und Q = 1, was jedoch dazu führt, dass das UND Gatter 30 weiterhin am Ausgang auf 0 gesetzt bleibt.
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Der zweite Signalspeicher 200 ist derart ausgebildet, dass er das Signal des UND Gatters 30 dauerhaft speichert, bis die Signalverarbeitungsvorrichtung 300 wieder in den Ausgangszustand versetzt wird (der Steuereingang 3 auf „low“ gesetzt).
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Somit stellt der Wert des Ausgangssignals Q2 eine Information darüber dar, ob die Signale S1 und S2 höchst gleichzeitig eingegangen sind oder nicht.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsvariante zeigt eine beispielhafte Implementierung. Andere Implementierungen mit anderen Gattern und anderen Flipflops können dieselbe Funktionalität erzielen, beispielsweise mit high-aktiven Eingangssignalen S1 und S2 und einem high-aktiven Resetsignal, mit high-aktiven Eingangssignalen S1 und S2 und einem low-aktiven Resetsignal oder mit low-aktiven Eingangssignalen S1 und S2 und einem high-aktiven Resetsignal. Auch das Eingangssignal S1 high-aktiv sein, während das und Eingangssignal S2 low-aktiv ist und umgekehrt.
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Somit ermöglicht die Signalverarbeitungsvorrichtung 300 eine zeitlich hochaufgelöste Detektion dahingehend, ob die Eingangssignale S1 und S2 hochgradig gleichzeitig eingespeist worden sind. In diesem Fall liegt der Signalausgang Q2 auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise auf „high“ (bzw. auf 1) gemäß der Ausführungsvariante der 2.
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Sofern der Signalausgang Q2 nicht auf den vorgegebenen Wert (beispielsweise auf „high“ gemäß 2) gesetzt ist, heißt dies, dass entweder noch gar kein Eingangssignal oder eines der Eingangssignale deutlich vor dem anderen Eingangssignal eingespeist wurde.
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Die Länge des Gleichzeitigkeitsintervalls, also desjenigen Zeitfensters, innerhalb dessen die Speicherung eines transienten Zustands ermöglicht wird, wird durch die Laufzeit des früheren Eingangssignals durch das entsprechende Logikgatter 10 oder 20 des Signalspeichers 100 und nachfolgend durch die Länge der die Rückkoppelsignale übertragenden Leitungswege (zwischen Signalausgang 23 und Signaleingang 12 bzw. zwischen Signalausgang 13 und Signaleingang 21) bestimmt. Vorzugsweise sind diese Leitungswege gleich lang bzw., unterscheiden sich um weniger als 10%. Mit der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung kann das Zeitfenster, innerhalb dessen die Speicherung eines transienten Zustands ermöglicht wird, auf 10 bis 100 ps reduziert werden, d. h. dass ein zuerst eingehendes Eingangssignal nur dann einen transienten Zustand hervorrufen kann, wenn das spätere (andere) Eingangssignal spätestens nach 10 bis 100 ps nach Eingang des zuerst eingehendes Eingangssignals eingeht.
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4 zeigt eine Messvorrichtung zur präzisen Laufzeitmessung gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
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Die Messvorrichtung 400 zur präzisen Laufzeitmessung weist einen ersten Messeingang 401 für ein erstes Eingangssignal S1 und einen zweiten Messeingang 402 für ein zweites Eingangssignal S2 auf. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung 400 eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtungen 300, deren Signaleingänge 1 und 2 jeweils über die Signalleitungen 411 und 412 an die Messeingänge 401 und 402 gekoppelt sind. Dabei breiten sich die Eingangssignale S1 und S2 in den parallel zueinander verlaufenden Signalleitungen 411 und 412 in entgegengesetzter Richtung aus. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung 400 einen Steuereingang 403, über den ein Steuersignal zum Zurücksetzen und Aktivieren der Signalspeicher 100, 200 (2 und 3) eingespeist werden kann. Dafür ist der Steuereingang 403 der Messvorrichtung 400 mit den Steuereingängen 3 der Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 gekoppelt. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung 400 eine Auswerteeinheit 500, die mit den Signalausgängen 4 (2) der Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 gekoppelt ist. Vorzugsweise sind die Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 entlang der Signalleitungen 411, 412 äquidistant angeordnet.
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Zwar lässt sich aus dem jeweiligen Ausgangssignalen Q2 (2) einer Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 nicht bestimmen, welches der beiden Eingangssignale S1 und S2 an der jeweiligen Signalverarbeitungsvorrichtung 300 zuerst eingegangen ist, jedoch lässt sich aus dem Ausgangssignal Q2 erfindungsgemäß bestimmen, ob beide Eingangssignale S1 und S2 innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters (kleiner oder gleich 100 ps) eingegangen sind.
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Werden die Eingangssignale jedoch S1 und S2 also nahezu zeitgleich in die Messeingänge 401 und 402 eingespeist, kann die zeitliche Differenz der Eingangssignale S1 und S2 bei ausreichender Länge der Signalleitungen 411 und 412 und ausreichender Anzahl der Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 mit hoher Präzision bestimmt werden, weil lediglich ein Teil der Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 ein mit einer Gleichzeitigkeit korrespondierendes Ausgangssignal Q2 ausgeben werden. Aus der Position dieser Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 kann die zeitliche Differenz der Eingangssignale S1 und S2 dann mit hoher Präzision bestimmt werden.
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Im oberen Bereich der 4 wird das Eingangssignal S1 aufgrund des kürzeren Leitungsweges 411 zu den dort angeordneten Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 zuerst eingehen, wobei das Eingangssignal S2 zeitlich später außerhalb des Zeitfensters, innerhalb dessen die Speicherung eines transienten Zustands ermöglicht wird, eingeht. Das bedeutet, dass das zuerst eingehende Eingangssignal S1 keinen transienten Zustand hervorrufen kann, weil das spätere Eingangssignal S2 nicht innerhalb von 100 ps nach Eingang des Eingangssignals S2 eingeht. Daher werden die Signalausgänge 4 im oberen Teil der Messvorrichtung 400 eine Null ausgeben.
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In gleicher Weise wird im unteren Bereich der 4 das Eingangssignal S2 aufgrund des kürzeren Leitungsweges 412 zu den dort angeordneten Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 deutlich vor dem Eingangssignal S1 eingehen, so dass nachfolgend kein transienter Zustand hervorrufen werden kann. Daher werden die Signalausgänge 4 im unteren Teil der Messvorrichtung 400 ebenfalls eine Null ausgeben.
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In denjenigen Signalverarbeitungsvorrichtungen 300, in die die beiden Eingangssignale S1 und S2 höchst gleichzeitig eingehen, also mit einer zeitlichen Differenz kleiner als 100 ps, werden die jeweiligen ersten Signalspeicher 100 der Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 einen transienten Zustand hervorrufen, der durch die die jeweiligen zweiten Signalspeicher 200 der Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 gespeichert wird und jeweils als Ausgangssignal Q2 am Signalausgang anliegt. In diesen Bereichen werden die Signalausgänge 4 der Messvorrichtung 400 also eine Eins ausgeben.
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Aus der Position derjenigen Signalverarbeitungsvorrichtungen 300 entlang der Signalleitungen 411, 412, die eine Eins ausgeben, kann mittels der Auswerteeinheit 500 auf eine zeitliche Differenz der Eingangssignale S1 und S2 an den jeweiligen Messeingänge 401 und 402 mit sehr hoher Genauigkeit (kleiner als 100 ps) bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtung
- 2
- Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtung
- 3
- Steuereingang der Signalverarbeitungsvorrichtung
- 4
- Signalausgang der Signalverarbeitungsvorrichtung
- 10
- erstes Logikgatter
- 11
- Signaleingang des ersten Logikgatters
- 12
- Signaleingang des ersten Logikgatters
- 13
- Signalausgang des ersten Logikgatters
- 14
- Signalinverter
- 20
- zweites Logikgatter
- 21
- Signaleingang des zweiten Logikgatters
- 22
- Signaleingang des zweiten Logikgatters
- 23
- Signalausgang des zweiten Logikgatters
- 24
- Signalinverter
- 30
- drittes Logikgatter
- 31
- Signaleingang des dritten Logikgatters
- 32
- Signaleingang des dritten Logikgatters
- 33
- Signalausgang des dritten Logikgatters
- 40
- viertes Logikgatter
- 41
- Signaleingang des vierten Logikgatters
- 42
- Signaleingang des vierten Logikgatters
- 43
- Signalausgang des vierten Logikgatters
- 44
- Signalinverter
- 50
- fünftes Logikgatter
- 51
- Signaleingang des fünften Logikgatters
- 52
- Signaleingang des fünften Logikgatters
- 53
- Signalausgang des fünften Logikgatters
- 54
- Signalinverter
- 100
- erster Signalspeicher
- 200
- zweiter Signalspeicher
- 300
- Signalverarbeitungsvorrichtung
- 400
- Messvorrichtung
- 401
- erster Messeingang
- 402
- zweiter Messeingang
- 403
- Steuerleitung
- 411
- Signalleitung
- 412
- Signalleitung
- 500
- Auswerteeinheit
- S1
- erstes Eingangssignal
- S2
- zweites Eingangssignal
-
Q
- erstes Ausgangssignal des ersten Signalspeichers
- Q
- zweites Ausgangssignal des ersten Signalspeichers
- Q1
- Eingangssignal des zweiten Signalspeichers
- Q2
- Ausgangssignal des zweiten Signalspeichers
