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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 1 schematisch 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 Flip-flops 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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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Signalverarbeitungsvorrichtung zur Verarbeitung von digitalen Signalen offenbart, umfassend: einen Signalvergleicher mit einem ersten Signaleingang für ein erstes Eingangssignal, einem zweiten Signaleingang für ein zweites Eingangssignal und einem Signalausgang für ein Ausgangssignal; einen Signalspeicher mit einem Signaleingang für ein Eingangssignal und einem Signalausgang für ein Ausgangssignal, wobei der Signalspeicher ausgebildet ist, ein Eingangssignal zu speichern und (dauerhaft) am Signalausgang als Ausgangssignal bereitzustellen, wobei der Signaleingang des Signalspeichers mit dem Signalausgang des Signalvergleichers gekoppelt ist, und wobei der Signalvergleicher einen ersten Signalpulserzeuger, einen zweiten Signalpulserzeuger und ein (weiteres) Logikgatter mit einem ersten Signaleingang, einem zweiten Signaleingang und einem Signalausgang aufweist, wobei der erste Signalpulserzeuger ausgebildet ist, einen ersten Signalpuls in Abhängigkeit eines Signalübergangs des ersten Eingangssignals zu generieren, und der zweite Signalpulserzeuger ausgebildet ist, einen zweiten Signalpuls in Abhängigkeit eines Signalübergangs des zweiten Eingangssignals zu generieren, wobei der erste Signaleingang des Logikgatters mit einem Signalausgang des ersten Signalpulserzeugers, der zweite Signaleingang des Logikgatters mit einem Signalausgang des zweiten Signalpulserzeugers und der Signalausgang des Logikgatters mit dem Signalausgang des Signalvergleichers verbunden sind.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, zwei Impulsgeneratoren (Signalpulserzeuger) logisch derart zu verknüpfen, dass ein Erkennen der Gleichzeitigkeit von Signalübergängen ermöglicht wird. Dabei wird ausgenutzt, dass die Impulsgeneratoren lediglich sehr kurze Pulse im Falle eines Signalübergangs erzeugen, die durch die Signalverarbeitungsvorrichtung lediglich im Falle einer Koinzidenz (eines gleichzeitigen Auftretens) nachfolgend gespeichert werden. Dabei wird die Breite des Koinzidenzintervalls maßgeblich durch die Verzögerungszeit eines (oder mehrerer) vorzugsweise im Signalpulserzeuger verwendeten Inverters bestimmt.
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Mit der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung kann das Koinzidenzintervall, also das, in dem beide Eingangssignale eingehen müssen, auf 10 bis 100 Pikosekunden (ps), bevorzugter auf 10 bis 50 ps reduziert werden, d.h. dass ein zuerst eingehendes Eingangssignal einen Puls mit einer Länge von 10 bis 50 ps erzeugt, der wiederum mit einem zweiten Puls, der durch das später eingehende Eingangssignal ebenfalls innerhalb dieser kurzen Zeitspanne erzeugt wird, zur Speicherung einer Koinzidenz führen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst der erste Signalimpulserzeuger einen ersten Signalinverter und ein erstes Logikgatter, wobei der erste Signalinverter einen Signaleingang, ein erstes Signalverzögerungselement und einen Signalausgang umfasst, und das erste Logikgatter einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang und einen Signalausgang aufweist, wobei der Signaleingang des ersten Signalinverters und der erste Signaleingang des erstes Logikgatters mit dem ersten Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtungseinrichtung verbunden sind.
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Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausführungsvariante umfasst der erste Signalimpulserzeuger mehrere in Reihe geschaltete Signalverzögerungselemente. Vorzugsweise ist das mindestens eine Signalverzögerungselement durch den Signalinverter (integral) ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst der zweite Signalimpulserzeuger einen zweiten Signalinverter und ein zweites Logikgatter, wobei der zweite Signalinverter einen Signaleingang, ein zweites Signalverzögerungselement und einen Signalausgang umfasst, und das zweite Logikgatter einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang und einen Signalausgang aufweist, wobei der Signaleingang des zweiten Signalinverters und der erste Signaleingang des zweiten Logikgatters mit dem zweiten Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtungseinrichtung verbunden sind.
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Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausführungsvariante umfasst der zweite Signalimpulserzeuger mehrere in Reihe geschaltete Signalverzögerungselemente. Vorzugsweise ist das mindestens eine Signalverzögerungselement durch den Signalinverter (integral) ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante weist der Signalspeicher einen Steuereingang zum Zurücksetzen des zweiten Signalspeichers auf. Dies ist vorteilhaft, weil der Signalspeicher ein einmal erzeugtes Ausgangssignal (das eine Koinzidenz anzeigt) dauerhaft speichert. Um die Signalverarbeitungsvorrichtung wiederholt nutzen zu können, ist es vorteilhaft, die Speicherung des einmal erzeugten Ausgangssignals zurücksetzen zu können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Signalverarbeitungsvorrichtung zur Verarbeitung von digitalen Signalen offenbart, umfassend: eine erste Signalverarbeitungseinheit mit einem ersten Signaleingang für ein erstes Eingangssignal, einem zweiten Signaleingang für ein zweites Eingangssignal und einem Signalausgang für ein erstes Ausgangssignal; eine zweite Signalverarbeitungseinheit mit einem ersten Signaleingang für das erste Eingangssignal, einem zweiten Signaleingang für das zweite Eingangssignal und einem Signalausgang für ein zweites Ausgangssignal, ein Logikgatter mit einem ersten Signaleingang, einem zweiten Signaleingang und einem Signalausgang aufweist, wobei der Signalausgang der ersten Signalverarbeitungseinheit mit dem ersten Signaleingang des Logikgatters und der Signalausgang der zweiten Signalverarbeitungseinheit mit dem zweiten Signaleingang des Logikgatters gekoppelt sind; einen Signalspeicher mit einem Signaleingang für ein Eingangssignal, einem Signalausgang für ein Ausgangssignal, wobei der Signalspeicher ausgebildet ist, ein Eingangssignal zu speichern und am Signalausgang als Ausgangssignal bereitzustellen, wobei der Signaleingang des Signalspeichers mit Signalausgang des Logikgatters gekoppelt ist, wobei die erste Signalverarbeitungseinheit ein erstes Signalverzögerungselement und die zweite Signalverarbeitungseinheit ein zweites Signalverzögerungselement aufweist, wobei eines der Signalverzögerungselemente mit dem ersten Signaleingang und das andere der Signalverzögerungselemente mit dem zweiten Signaleingang gekoppelt ist.
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Auch in dieser Ausführungsvariante besteht die Idee der vorliegenden Erfindung darin, zwei Signalverarbeitungseinheiten logisch derart zu verknüpfen, dass ein Erkennen der Gleichzeitigkeit von Signalübergängen ermöglicht wird, wobei die Laufzeit der Eingangssignale entlang der Leitungswege der Eingangssignale zu den Signalverarbeitungseinheiten zum Erkennen einer zeitlichen Koinzidenz zweier Eingangssignale genutzt wird. Dabei sind die Signalverarbeitungseinheiten durch wechselseitige Einkopplung der Eingangssignale derart miteinander gekoppelt, dass lediglich ein Signalübergang (der Eingangssignale) beim Durchlaufen eines der Signalverarbeitungseinheiten zu dessen (späteren) Speicherung führen kann, weil statische Pegel nicht zu einer Änderung des Ausgangssignals des nachgeschalteten Logikgatters führen können. Da das zeitlich zuerst eintreffende Eingangssignal (je nach vorher anliegendem statischen Pegel) an nur einem der Signalverarbeitungseinheiten zu einem Signalübergang (des entsprechenden Ausgangs-Pegels) führt, jedoch den Ausgangs-Pegel der anderen Signalverarbeitungseinheit (trotz einer Änderung des Eingangs-Pegels) unverändert lässt, erfolgt kurze Zeit später ein Blockieren der anderen Signalverarbeitungseinheit, da ein Signalübergang des zeitlich später eintreffenden Eingangssignals nun nicht mehr zu einer zu einem Signalübergang (des entsprechenden Ausgangs-Pegels) bei der anderen Signalverarbeitungseinheit führen kann. Aufgrund der (vorzugsweise) unterschiedlichen langen Zuleitungen zwischen den Signaleingängen und den Signalverarbeitungseinheiten (sowie der Verzögerungen aufgrund der vorzugsweise zu verwendenden Verzögerungselemente) erfolgt dieses Blockieren jedoch leicht zeitversetzt, sodass hochgradig gleichzeitige Eingangssignale trotz eines gegenseitigen Blockierens (aufgrund der wechselseitigen Einkopplung der Eingangssignale) gespeichert werden können. Somit kann für den Fall, dass beide Eingangssignale gespeichert werden, auf eine hochgradige Gleichzeitigkeit der beiden Eingangssignale geschlossen werden.
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Da sich das zuerst eintreffende Eingangssignal durch die Signalverarbeitungseinheit (d.h. beispielsweise über den Inverter und das Logikgatter) mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, ist das Zeitfenster, in dem die andere Signalverarbeitungseinheit noch nicht blockiert ist, also das entsprechende Eingangssignal noch in einen Signalübergang umwandeln kann, entsprechend kurz, so dass die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsvorrichtung die Gleichzeitigkeit der beiden Eingangssignale mit einfachen Mittel sehr hoch auflösen kann. Mit der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung kann das Zeitfenster, in dem nach Eingang eines ersten Eingangssignals die andere Signalverarbeitungseinheit noch nicht blockiert ist, auf 10 bis 50 Pikosekunden (ps) reduziert werden, d.h. dass ein zuerst eingehendes Eingangssignal die andere Signalverarbeitungseinheit bereits nach 10 bis 50 ps blockiert. Insbesondere ist es möglich, sowohl die Unterschiede in den (ggf. verwendeten) Verzögerungselementen als auch in den Längen der Zuleitungen sehr fein zu justieren, so dass ein gewünschtes Koinzidenzintervall über einen großen Wertebereich sehr genau eingestellt werden kann. So ermöglicht die Verwendung von Verzögerungselementen eine relativ grobe Skalierung des gewünschten Koinzidenzintervalls, während die Verwendung unterschiedlich langer Zuleitungen (von den Signaleingängen zu den Signalverarbeitungseinheiten) eine relativ feine Skalierung des gewünschten Koinzidenzintervalls erlaubt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das erste Signalverzögerungselement als erster logischer Inverter ausgebildet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das zweite Signalverzögerungselement als zweiter logischer Inverter ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante umfasst die erste Signalverarbeitungseinheit ein erstes Logikgatter, wobei der erste Signalinverter einen Signaleingang und einen Signalausgang umfasst, und das erste Logikgatter einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang und einen Signalausgang aufweist, wobei der Signaleingang des ersten Signalinverters mit dem ersten Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtungseinrichtung und der zweite Signaleingang des ersten Logikgatters mit dem zweiten Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtungseinrichtung verbunden sind.
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Vorzugsweise umfasst die zweite Signalverarbeitungseinheit ein zweites Logikgatter, wobei der zweite Signalinverter einen Signaleingang und einen Signalausgang umfasst, und das zweite Logikgatter einen ersten Signaleingang, einen zweiten Signaleingang und einen Signalausgang aufweist, wobei der Signaleingang des ersten Signalinverters mit dem zweiten Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtungseinrichtung und der zweite Signaleingang des zweiten Logikgatters mit dem ersten Signaleingang der Signalverarbeitungsvorrichtungseinrichtung verbunden sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante weist der Signalspeicher einen Steuereingang zum Zurücksetzen des Signalspeichers auf.
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Vorzugsweise umfasst der 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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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Messvorrichtung zur hochpräzisen Laufzeitmessung mindestens zweier digitaler Eingangssignale offenbart, die die zeitlich hohe Auflösung der Signalverarbeitungsvorrichtung bezüglich der Gleichzeitigkeit der beiden Eingangssignale vorteilhaft nutzen kann, 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 (Im Falle gleichzeitig an den jeweiligen Eingängen eintreffenden Eingangssignalen) deutlich vor dem zweiten Eingangssignal in die jeweilige Signalverarbeitungsvorrichtung eingehen, während in einem dem zweiten Messeingang nächstgelegenen Bereich das zweite Eingangssignal deutlich vor dem ersten Eingangssignal in die jeweilige Signalverarbeitungsvorrichtung eingehen wird. Lediglich in demjenigen Bereich, in dem beide Signale höchst gleichzeitig (also mit extrem geringen Laufzeitunterschieden) in die jeweilige Signalverarbeitungsvorrichtung eingehen, wird im entsprechenden Signalspeicher ein entsprechend geänderter logischer Pegel 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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Kurzbeschreibung der Abbildungen
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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:
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1 eine konventionelle Messvorrichtung zur Laufzeitmessung;
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2 eine Signalverarbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung,
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3 eine Signalverarbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung, und
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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 500 gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
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Die Signalverarbeitungsvorrichtung 500 umfasst einen Signalvergleicher 100 und einen Signalspeicher 200. Der Signalvergleicher 100 umfasst zwei Signalpulserzeuger 300, 400.
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Der erste Signalpulserzeuger 300 umfasst einen als Verzögerungselement ausgebildeten Inverter 60 mit einem Signalausgang 61, wobei der Signaleingang des Inverters 60 mit dem ersten Signaleingang 1 der Signalverarbeitungsvorrichtung 500 gekoppelt ist. Der erste Signalpulserzeuger 300 umfasst weiterhin ein Logikgatter (UND Gatter) 10, dessen erster Eingang 11 mit dem Signalausgang 61 des Inverters 60 und dessen zweiter Eingang 12 direkt mit dem ersten Signaleingang 1 der Signalverarbeitungsvorrichtung 500 gekoppelt ist. Das Eingangssignal S1 liegt somit sowohl am Inverter 60 als auch direkt am UND Gatter 10 an. Aufgrund des Inverters 60 wird am Ausgang 13 des UND Gatters 10 bei einem statischen Pegel des Eingangssignal S1 stets eine logische Null anliegen. Lediglich bei einem Signalübergang des Eingangssignal S1 von 0 auf 1 wird aufgrund der Verzögerung des Inverters 60 an beiden Eingängen des UND Gatters 10 (kurzzeitig) eine logische Eins anliegen, was für sehr kurze Zeit (nämlich die Dauer der auf das Eingangssignal S1 wirkenden Verzögerung des Inverters 60) auch am Ausgang 13 des UND Gatters 10 zu einer logischen Eins führt. Damit ist der erste Signalpulserzeuger 300 ausgebildet, einen ersten Signalpuls P1 in Abhängigkeit eines Signalübergangs (von Null auf Eins) des ersten Eingangssignals S1 zu generieren. Ein solcher Signalpuls hat vorzugsweise eine Länge von weniger als 100 ps, bevorzugter weniger als 50 ps. Ein Signalübergang von Eins auf Null führt allerdings nicht zu einen solchen Signalpuls, weil die auf das Eingangssignal S1 wirkende Verzögerung des Inverters 60 dazu führt, dass am ersten Eingang 11 noch eine logische Null anliegt, wenn der Signalübergang am zweiten Eingang 12 erfolgt.
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In gleicher Weise ist der zweite Signalpulserzeuger 400 aufgebaut und daher ausgebildet, einen zweiten Signalpuls P2 in Abhängigkeit eines Signalübergangs (von Null auf Eins) des zweiten Eingangssignals S2 zu generieren.
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Das UND Gatter 30 ist eingangsseitig mit den jeweiligen Signalausgängen 13 und 23 der Signalpulserzeuger 300, 400 gekoppelt, wobei am Signalausgang 33 des UND Gatters 30 nur dann ein Signalübergang (eine logische Eins anliegen) erfolgen kann, wenn sich die von den Signalpulserzeugern 300, 400 bei einem Signalübergang der Eingangssignale S1, S2 erzeugten Pulse P1, P2 zeitlich überlappen. Sofern eine solche zeitliche Koinzidenz der Eingangssignale S1, S2 vorliegt und das UND Gatter 30 einen entsprechenden logischen Wert (hier eine logische Eins) ausgibt, wird dieses Ausgangssignal im Signalspeicher 200 nachfolgend gespeichert und dauerhaft an dessen Signalausgang 5 (bis zu einem Reset über die Steuerleitung 3) anliegen.
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Während die Pulsdauer Δt1 des ersten Signalpulses P1 von der Verzögerung des Inverters 60 abhängt, wird die Pulsdauer Δt2 des zweiten Signalpulses P2 durch die Verzögerung des Inverters 70 vorgegeben. Die Breite des Koinzidenzintervalls wird daher maßgeblich durch die Verzögerungszeit desjenigen Inverters 60, 70 bestimmt, der das zeitlich erste Eingangssignal S1 bzw. S2 erhält. Da vorher nicht bekannt ist, welches der Eingangssignale S1, S2 zuerst anliegt, ist es bevorzugt, die maßgeblich durch die Inverter 60, 70 bedingten Verzögerungen gleich groß einzustellen, um stets eine konstantes Koinzidenzintervall zu erhalten. Mit der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung kann das Koinzidenzintervall, also das, in dem beide Eingangssignale eingehen müssen, mit sehr einfachen Mitteln auf 10 bis 50 ps reduziert werden.
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Der Signalspeicher 200 umfasst einen Signaleingang 4 für ein Eingangssignal Q3 und einen Signalausgang 5 für ein Ausgangssignal Q5. Weiterhin sind zwei ODER-Gatter 40, 50 vorgesehen, wobei das erste ODER-Gatter 40 neben dem Signaleingang 41, der mit dem Signalausgang 33 des Signalvergleichers 100 verbunden ist, einen weiteren Signaleingang 42 aufweist. Dieser weitere Signaleingang 42 fungiert als Eingang für ein erstes Rückkoppelungssignal, das mit dem Ausgang 53 des zweiten ODER-Gatters 50 verbunden ist, wobei der zweite Signalausgang 53 ebenfalls mit einem Inverter 54 gekoppelt ist. In gleicher Weise weist das zweite ODER-Gatter 50 neben dem Signaleingang 52, der mit dem Signaleingang 3 (für das Zurücksetzen) der Signalverarbeitungsvorrichtung 500 verbunden ist, einen weiteren Signaleingang 51 aufweist. Dieser weitere Signaleingang 51 fungiert als Eingang für ein zweites Rückkoppelungssignal, das mit dem Ausgang 43 des ersten ODER-Gatters 40 verbunden ist, wobei der erste Signalausgang 43 mit einem Inverter 44 gekoppelt ist.
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Der Signalspeicher 200 kann auch durch andere ähnliche Vorrichtungen ausgebildet sein, die ausgebildet sind, ein Eingangssignal Q3 zu speichern und am Signalausgang 5 als Ausgangssignal Q5 bereitzustellen.
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Die Signalverarbeitungsvorrichtung 500 ist nicht auf die konkrete Schaltung und die dort verwendeten Pegel beschränkt. Es ist vielmehr möglich, die Signalverarbeitungsvorrichtung 500 derart zu modifizieren, dass deren Funktion trotz Verwendung anderer Pegel (Null statt Eins) erhalten bliebt.
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3 zeigt eine Signalverarbeitungsvorrichtung 500 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
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Die Signalverarbeitungsvorrichtung 500 umfasst einen Signalvergleicher und einen Signalspeicher 200. Der Signalvergleicher umfasst jedoch im Gegensatz zur Ausführungsvariante der 2 nicht zwei Signalpulserzeuger 300, 400, sondern zwei Signalverarbeitungseinheiten 300, 400. Diese fungieren in ähnlicher Weise, werden jedoch wechselseitig mit den Eingangssignalen S1 und S2 gespeist.
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Liegt beispielsweise an den Signaleingängen 1 und 2 der logische Pegel Null an, wird auch an den Ausgängen 13, 23 der Signalverarbeitungseinheiten 300, 400 aufgrund der logischen Pegel (Null) an den Eingängen 12 und 22 jeweils eine logische Null anliegen. Ein Signalübergang eines der Eingangssignale führt jedoch anders als in 2 nicht zur Erzeugung eines kurzen Signalpulses, sondern zur Änderung des logischen Pegels an einem der Signalausgänge 13, 23, wobei eine nachfolgende Pegeländerung am anderen Signalausgang kurze Zeit später blockiert wird. Im Falle eines zeitlich zuerst anliegenden Eingangssignals S1 (also Signalübergang von Null auf Eins) wird das UND Gatter 20 an dessen Ausgang 23 auf Eins schalten. Aufgrund der Verzögerung des ersten Eingangssignals S1 am Inverter 60 wird an dessen Ausgang kurz nach dem Signalübergang des ersten Eingangssignals S1 ebenfalls (noch) eine logische Eins anliegen, die jedoch nach sehr kurzer Zeit umschaltet und eine Änderung am (anderen) Signalausgang 13 (von Null auf Eins) im Falle eines späteren Signalübergangs des zweiten Eingangssignals S2 blockiert. Lediglich, wenn das zweite Eingangssignal S2 höchst gleichzeitig am zweiten Signaleingang 2 eintrifft, kann ebenfalls das UND Gatter 10 an dessen Ausgang 13 auf Eins schalten, da das erste Eingangssignal S1 aufgrund des Inverters 60 den Eingang 11 noch nicht umgeschaltet (und damit blockiert) hat. Gleiches gilt für das das UND Gatter 20, das an dessen Ausgang 23 nur sehr kurzzeitig auf Eins schalten kann, solange das zweite Eingangssignal S2 aufgrund des Inverters 70 den Eingang 21 noch nicht umgeschaltet (und damit blockiert) hat.
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Sofern also eine zeitliche Koinzidenz der Eingangssignale S1, S2 vorliegt und das UND Gatter 30 einen entsprechenden logischen Wert (hier eine logische Eins) ausgibt, wird dieses Ausgangssignal im Signalspeicher 200 (analog 2) gespeichert und dauerhaft an dessen Signalausgang 5 (bis zu einem Reset über die Steuerleitung 3) anliegen. Der Signalspeicher 200 kann auch in diesem Ausführungsbeispiel durch andere ähnliche Vorrichtungen (wie beispielsweise ein RS-Latch) ausgebildet sein, die ausgebildet sind, ein Eingangssignal Q3 zu speichern und am Signalausgang 5 als Ausgangssignal Q5 bereitzustellen. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 500 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel nicht auf die konkrete Schaltung und die dort verwendeten Pegel beschränkt. Es ist vielmehr möglich, die Signalverarbeitungsvorrichtung 500 derart zu modifizieren, dass deren Funktion trotz Verwendung anderer Pegel (Null statt Eins) erhalten bliebt.
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4 zeigt eine Messvorrichtung zur präzisen Laufzeitmessung gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
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Die Messvorrichtung 600 zur präzisen Laufzeitmessung weist einen ersten Messeingang 601 für ein erstes Eingangssignal S1 und einen zweiten Messeingang 602 für ein zweites Eingangssignal S2 auf. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung 600 eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtungen 500, deren Signaleingänge 1 und 2 jeweils über die Signalleitungen 611 und 612 an die Messeingänge 601 und 602 gekoppelt sind. Dabei breiten sich die Eingangssignale S1 und S2 in den parallel zueinander verlaufenden Signalleitungen 611 und 612 in entgegengesetzter Richtung aus. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung 600 einen Steuereingang 603, über den ein Steuersignal zum Zurücksetzen und Aktivieren des Signalspeichers 200 (2 und 3) eingespeist werden kann. Dafür ist der Steuereingang 603 der Messvorrichtung 600 mit den Steuereingängen 3 der Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 gekoppelt. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung 600 eine Auswerteeinheit 700, die mit den Signalausgängen 5 (2 und 3) der Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 gekoppelt ist. Vorzugsweise sind die Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 entlang der Signalleitungen 611, 612 äquidistant angeordnet.
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Zwar lässt sich aus dem jeweiligen Ausgangssignalen Q5 (2 und 3) einer Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 nicht bestimmen, welches der beiden Eingangssignale S1 und S2 an der jeweiligen Signalverarbeitungsvorrichtung 500 zuerst eingegangen ist, jedoch lässt sich aus dem Ausgangssignal Q5 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 S1 und S2 nahezu zeitgleich in die Messeingänge 601 und 602 eingespeist, kann die zeitliche Differenz der Eingangssignale S1 und S2 bei ausreichender Länge der Signalleitungen 611 und 612 und ausreichender Anzahl der Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 mit hoher Präzision bestimmt werden, weil lediglich ein Teil der Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 ein mit einer Gleichzeitigkeit korrespondierendes Ausgangssignal Q5 ausgeben werden. Aus der Position dieser Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 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 611 zu den dort angeordneten Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 zuerst eingehen, wobei das Eingangssignal S2 zeitlich später außerhalb des Koinzidenzintervalls eingeht. Das bedeutet, dass das zuerst eingehende Eingangssignal S1 kein entsprechendes Ausgangssignal (logische Eins in 2 und 3) hervorrufen kann, weil das spätere Eingangssignal S2 nicht innerhalb von 100 ps nach Eingang des Eingangssignals S2 eingeht. Daher werden die Signalausgänge 5 im oberen Teil der Messvorrichtung 600 eine Null ausgeben.
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In gleicher Weise wird im unteren Bereich der 4 das Eingangssignal S2 aufgrund des kürzeren Leitungsweges 612 zu den dort angeordneten Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 deutlich vor dem Eingangssignal S1 eingehen, so dass nachfolgend kein entsprechendes Ausgangssignal (logische Eins in 2 und 3) hervorgerufen werden kann. Daher werden die Signalausgänge 4 im unteren Teil der Messvorrichtung 600 ebenfalls eine Null ausgeben.
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In denjenigen Signalverarbeitungsvorrichtungen 500, in die die beiden Eingangssignale S1 und S2 höchst gleichzeitig eingehen, also mit einer zeitlichen Differenz kleiner als 100 ps, werden die jeweiligen Signalspeicher der Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 ein entsprechendes Ausgangssignal (logische Eins in 2 und 3) speichern. In diesen Bereichen werden die Signalausgänge 5 der Messvorrichtung 600 also eine logische Eins ausgeben.
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Aus der Position derjenigen Signalverarbeitungsvorrichtungen 500 entlang der Signalleitungen 611, 612, die eine Eins ausgeben, kann mittels der Auswerteeinheit 700 auf eine zeitliche Differenz der Eingangssignale S1 und S2 an den jeweiligen Messeingänge 601 und 602 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 des Signalvergleichers/ Signaleingang des Signalspeichers
- 5
- Signalausgang der Signalverarbeitungsvorrichtung
- 10
- erstes Logikgatter
- 11
- Signaleingang des ersten Logikgatters
- 12
- Signaleingang des ersten Logikgatters
- 13
- Signalausgang des ersten Logikgatters
- 20
- zweites Logikgatter
- 21
- Signaleingang des zweiten Logikgatters
- 22
- Signaleingang des zweiten Logikgatters
- 23
- Signalausgang des zweiten Logikgatters
- 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
- 60
- Signalinverter mit Signalverzögerungselement
- 61
- Ausgang des Signalinverters
- 70
- Signalinverter mit Signalverzögerungselement
- 71
- Ausgang des Signalinverters
- 100
- Signalvergleicher
- 200
- Signalspeicher
- 300
- Signalpulserzeuger / Signalverarbeitungseinheit
- 400
- Signalpulserzeuger / Signalverarbeitungseinheit
- 500
- Signalverarbeitungsvorrichtung
- 600
- Messvorrichtung
- 601
- erster Messeingang
- 602
- zweiter Messeingang
- 603
- Steuerleitung
- 611
- Signalleitung
- 612
- Signalleitung
- 700
- Auswerteeinheit
- S1
- erstes Eingangssignal
- S2
- zweites Eingangssignal
- Q1
- Ausgangssignal des ersten Signalpulserzeugers (bzw. der ersten Signalverarbeitungseinheit)
- Q2
- Ausgangssignal des zweiten Signalpulserzeugers (bzw. der zweiten Signalverarbeitungseinheit)
- Q3
- Eingangssignal des Signalspeichers
- Q5
- Ausgangssignal des Signalspeichers
