DE1766145C - Vorrichtung zum Messen des einem oder mehreren Impulszugen zugeordneten Signalpegels - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung System arbeitet zufriedenstellend, es sind jedooh eine zum Messen des einem Impulszug zugeordneten sehr gute Frequenzstabilität sowohl der Impulszug« Signalpegels mit einer Kopplungseinrichtung, die im quelle als auch des Filters erforderlich, wozu ein wesentlichen während der Impulsübertragung ein relativ hoher Aufwand benötigt wird.
Ausgangssignal einer Polarität und während der S Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Impulspausen ein Ausgangssignal der anderen PoIa- eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die beschriebenen rität gegen den Nullbezugswert des Ausgangssignals Nachteile der bekannten Lösungen nicht auftreten, liefert, und einer Abfrageeinrichtung, die während Die Erfindung geht zur Lösung dieser Aufgabe von eines Teils des den Impulspausen entsprechenden der Erkenntnis aus, daß bei Betrachtung einer Impuls-Teils des Ausgangssignals dieses abfragt. Eine der- ία peri ode eines Impulszuges, der duroh eine Kopplungsartige Vorrichtung ist bekannt (deutsche Patentschrift einrichtung in ein Wechselsignal umgewandelt worden 1025 516). ist, durch Wahl und Einstellung der Kopplungsein-

Die bekannte Vorrichtung dient zur Vorzeichen- richtung erreicht werden kann, daß der Energieinrichtigen Messung kleiner veränderlicher Gleichspan- halt des positiven Teils der Periode gleich dem Energienungen, die zu einem Impulszug zerhackt werden, 15 inhalt des negativen Teils der Impulsperiode ist, so dessen Signalpegel mit der beschriebenen Vorrich- daß beide Teile der Impulsperlode die Information tung gemessen werden soll. Der bei dieser bekannten übnr den Signalpegel enthalten. Es braucht also 'nur Vorrichtung auftretende Nullbezugswert der Aus- der Energieinhalt in einem Teil des Impulszuges gegangsspannung spielt für die Messung keine Rolle, die messen zu werden, d. h„ es steht die Möglichkeit zur eigentliche Messung wird als Spitzenspannungsmes- ao Verfügung, im ungestörten, rauschfreien oder wenigsung ausgeführt. Der Nullbezugswert kann deshalb je stens rauschärraeren Teil des Impulszuges zu messen, nach Ausführung der gesamten Vorrichtung will- so daß der hohe Störanteil der ursprünglichen Impulse kürlich liegen; falls die Kopplungseinuchtung, die bei keine Rolle mehr spielt.

der bekannten Vorrichtung eiii Wechselstromverstär- Ausgehend von der eingangs beschriebenen Vorker ist, entsprechend ausgeführt wird, d. h., der Null- 95 richtung, wird also die der Erfindung zugrunde

bezugswert kann beispielsweise auch so liegen, daß liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kopp-

das Integral über die Impulsperiodendauer gleich lungseinrichtung so ausgebildet ist, daß
Null ist. T₀

Die bekannte Vorrichtung arbeitet so weit zufrie- fjL/d ^ O

denstellend, solange der Störspannungs- oder Rausch- 30 {

anteil der Impulse des Impulszuges klein gegen die mit

Impulsamplitude ist. Falls die Störungen jedoch nicht T₀ = Impulsperiodendauer,
mehr vernachlässigbar gegen die Impulsamplitude L = Ausgangssignalamplitude,
sind, treten auf Grund der verwendeten Spitzenspan- t = Zeit

nungsmessung des Ausgangssignals merkliche Fehler 35 und daß der abgefragte Teil des Ausgangssignals

auf. gegen den Nullbezugswert gemessen wird.

Solche gestörten Impulse treten beispielsweise auf, Das in der Integralgleichung verwendete Symbol wenn sogenanntes »zerhacktes Licht« auf eine Photo- für »ungefähr gleich« (ü) soll darauf hinweisen, daß zelle gegeben wird und der daraufhin von der Photo- die mittlere Abweichung von Null über mehrere zeile gelieferte Impulszug gemessen wird, was bei- 40 Impulsperioden relativ zur gewünschten Meßgenauigspielsweise bei Spektrophotometern üblich ist. In keit vernachlässigbar sein muß.
den Pausen zwischen den Impulsen, in denen nur der Es wurde bereits eingangs erwähnt, daß bei der beRuhestrom der Photozelle die Amplitude des Aus- kannten Vorrichtung der Nullbezugswert des Ausgangssignals bestimmt, ist die Störspannung wesent- gangssignals je nach Wahl und Kopplungseinrichtung lieh geringer. Ähnliche Verhältnisse treten jedoch 45 diesen für die Erfindung wesentlichen Wert haben grundsätzlich auf, wenn stark gestörte oder verrauschte kann, entsprechend stehen auch verschiedene Möglich-Signale abwechselnd mit Ruhesignalen geschaltet keiten zur Verfügung, diesen Wert des Nullbezugswerden, wie das beim Zerhacken von Gleichstrom der wertes zu erreichen. Eine Möglichkeit besteht bei-FaIl ist. spielsweise darin, als Kopplungseinrichtung ein RC-

Ein bekanntes Verfahren zur Messung des Signal- 50 Netzwerk zu verwenden, dessen Zeitkonstante wenigpegels in solchen Fällen besteht darin, daß der Impuls- stens mehrere Male größer ist als die Impulsperiodenzug durch ein Gleichstromfilter geschickt wird. Wenn dauer; beispielsweise einen Kondensator, der in Reihe die Signalamplitude in den Impulspausen gegen den zwischen der Impulsquelle und der Abfrageeinricheigentlichen Gleichstrom-Nullbezugswert um Beträge tung liegt, und einen Widerstand, der zwischen derr versetzt ist, die groß gegenüber der geforderten Ge- 55 Verbindungspunkt von Kondensator und Abfrage nauigkeit des Meßsystems sind, ist auch das Gleich- einrichtung einerseits und Erde andererseits liegt.
strom-Ausgangssignal des Filters um den Wert dieser Eine andere Möglichkeit besteht darin, als Kopp Versetzung fehlerhaft, so daß diese Versetzung voll lungseinrichtung einen Transformator zu verwenden in die Messung eingeht. Ferner ist es bekannt, den dessen Primärwicklung mit der Impulsquelle um Impulszug durch ein schmalbandiges Wechselstrom- 60 dessen Sekundärwicklung mit der Abfrageeinrichtunj filter zu schicken, das nur Signale durchläßt, deren verbunden ist.

Frequenz eng der Impulsfrequenz des betrachteten Die Abfrageeinrichtung kann beispielsweise au

Impulszuges entspricht; die so ausgefilterte Grundwelle einer elektrischen Schalteinrichtung bestehen, die mi

wird dann gleichgerichtet. Vakuum- oder Festkörper- der Kopplungseinrichtung verbunden ist, und eine

dioden sind vor allem bei kleinen Signalpegeln im 65 Steuereinrichtung, mit der die Schalteinrichtung s<

allgemeinen nicht linear, und deshalb muß zur Er- betätigt wird, daß das Ausgangssignal während de

zielung einer hohen Genauigkeit eine phasenempfind- den Impulspausen entsprechenden Teils übertrage

liehe Gleichrichtung vorgenommen werden. Ein solches wird.

3 4 .

Wenn eine Anzeige des Signalpegels erwünscht ist, vallen AT_x entspricht. Die Wecheelstromkopplung

kann ein Signalindikator vorgeseher werden, und ein hat eine Zeitkonstante, die groß gegenüber T_t ist,

Glättungsfilter zwischen die Schalteinrichtung und d. h., sie spricht auf whr niedrige Frequenzen an, so

den Indikator geschaltet werden, um die Wenigkeit daß die Ausgangsspannungen L₁ und L_x auf einen

des zum Indikator übertragenen Signals herabzusetzen, 5 Wechselstrom-Nullbezugswert 16 gemäß F i g. 3 be-

so daß dieser eine stetige Anzeige liefert. zogen werden, und der in der Wechselstromkopp-

AIs Impulsquelle kommt beispielsweise ein elektro- lung 15 entsteht. Wenn die Zeitkonstante zu kurz ist,

optischer Konverter in Frage, der auf Grund einer wird die Amplitude de» Systemausgangs verschlech-

gepulsten elektromagnetischen Strahlung einen Impuls- tert, so daß der Gerauschabstand verringert wird

zug aus elektrischen Signalen liefert, beispielsweise io (wenn während der Impulspausen Δ T_x Rauschen yor-

ein lichtempfindliches Gerät, vor allem eine Photo- handen ist). Die Zeitkonstante darf jedoch auch nicht

zelle oder ein Photovervielfacher. zu lang sein, sonst gibt der Ausgang des Systems nicht

Aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ge- getreu dynamische Änderungen im Eingang wieder,

maß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung Der brauchbare Bereich der Zeitkonstanten in einem

auch eine Vorrichtung zum Messen des mehreren mit- »5 speziellen Anwendungsfal! ist unter Berücksichtigung

einander gemischten Impulszügen zugeordneten Signal- dieser Gesichtspunkte berechenbar, gewöhnlich wird

pegels aufgebaut werden, die aus mehreren Kanälen er das Mehrfache der Impulsperiodendauer sein,

besteht, in die jeweils eine erfindungsgemäße Vor- Unter Berücksichtigung dessen, daß L eine Funktion

richtung eingeschaltet ist, in dieser Vorrichtung ist der Zeit ist, erfüllt der Wechselstrom-Nullbezugswert

dann noch ein Impulssortierer vorzusehen, mit dem ao 16, wenn die Höhen aufeinanderfolgender Impulse im

jeweils zu einem Impulszug gehörende Impulse aus wesentlichen gleich sind, folgende Bedingung:

dem Impulszuggemisch aussortiert und der Kopplungs- _To

einrichtung des diesem Impulszug zugeordneten Ka- f°Ldt =: 0. (2)

nals zugeführt werden. J

Ein besonders einfacher und zuverlässiger Aufbau as

dieser letzteren Vorrichtung ergibt sich, wenn eine Falls der Impulszug etwa die Form von Rechteck-Steuerung vorgesehen ist, mit der die Abfrageeinrich- wellen hat, wie in F i g. 3 dargestellt, gilt:
tung jedes Kanals so gesteuert wird, daß sie den Teil

des Ausgangssignals,, der den Impulspausen im züge- T« · 'γ' '"i- at ι η

ordneten Impulszug entspricht, abfragt, während 30 J LAi ^=JL₁At- J L,df = Δ T₁ · L₁ ~ Δ r_BLa~ü.

Impulse anderer Impulszüge an die diesen zugeord- " '» '«+1

neten Kanäle übertragen werden. '³'

Wenn natürlich sehr viele Kanäle verwendet werden,

ist das Ausgangssignal des gesamten Systems verhält- Hier wird der Wert Null (0) im oben definierten

nismäßig klein. 35 Sinne betrachtet. Die Ausgangsspannung von der

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher Kopplung 15 wird bei 17 an einen Abfrager 18 übererläutert werden; es zeigt tragen, der als Schalter mit einem Schaltarm 19 ange-

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen deutet ist, das mit Kontakt 20 in und außer Eingriff geSystems, bracht wird, der bei 21 mit einem geeigneten An-

F i g. 2 eine bevorzugte Ausführungsform des 40 zeigegerät 22 verbunden ist. Eine Bewegung des Armes

Systems nach F i g. 1, 19 wird bei 23 synchron zur Impulswiederholungs-

F i g. 3 einen Spannungsverlauf zur Darstellung rate /₀ gesteuert, so daß das Kopplungsausgangs-

des Abfrageprinzips nach der Erfindung, signal L, gegen den Nullbezugswert abgefragt wird,

F i g. 4 ein Blockschaltbild eines Mehrkanalsystems das die zum Ausgangssignal JL₁ entgegengesetzte PoIa-

nach der Erfindung, 45 rität hat, und zwar über einen erheblichen Teil der

F i g. 5 dem System nach F i g. 4 zugeordnete Pausen AT_t zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen.

Spannungsverläufe und Das Abfragen kann sich also über das Intervall

F i g. 6 eine andere Ausführungsform der Erfin- AT_t — 2ε erstrecken, das bei Z_n+1 + ε beginnt und

dung. bei f_n+i — ε endet, wie in F i g. 3 angedeutet ist,

Die in F i g. 1 dargestellte Signalquelle 10 liefert 50 wobei ε nur groß genug ist, um zu gewährleisten, daß

einen in F i g. 3 dargestellten Impulszug 11, in dem das Abfrageintervall nicht mit der Impulsdauer AT₁

die Impulse der Dauer Δ T₁ Sign?lpegel 12 mit relativ überlappt, die einer geringfügigen Zeitverschiebung

hohem Rauschanteil haben und bei dem die Impulse durch Zittern unterworfen ist.

durch Pausen T₂ getrennt sind, die durch einen Die Vorteile dieser Abfrage während der Pausen Signalpegel 13 mit niedrigem Rauschen gekennzeichnet 55 AT₃, in der ein Signal fehlt, sind beträchtlich, versind. In diesem Zusammenhang gilt glichen mit einer Abfrage während des Intervalls A T₁. AT = T — AT (\) Zunächst wird der Pegel 13 mit geringem Rauschen * ° ^l ' abgefragt, so daß eine höhere Genauigkeit (höherer wobei T₀ die Impulsperiodendauer gleich Kehrwert Geräuschabstand) erzielt wird, als er möglich ist, der Impulswiederholungsrate /₀ ist. Wie bereits ge- 60 wenn der Pegel 12 mit starkem Rauschen abgefragt sagt, kann Zittern vorhanden sein, so daß AT₂, AT_x wird. Die Länge der Pause AT_% ist in vielen, wenn und T₀ sich leicht ändern können. nicht sogar allen Fällen größer als die Impulsdauer

Der Impulszug 11 nach F i g. 3 wird bei 14 durch AT₁, so daß eine größere Genauigkeit durch längeres

eine Wechselstromkopplung 15 geschickt, die ein Aus- Abfragen ermöglicht wird, insbesondere wenn die

gangssignal L einer Polarität L₁ liefert, die Zeit- 65 Impulszeitgabe nicht so reproduzierbar ist, daß eine

Intervallen AT₁ der Impulsübertragung entspricht, merkliche Herabsetzung des Abfrageintervalls L₁ unter

und entgegengesetzter Polarität L₈, die den anderen AT₁ erforderlich wird, um eine Überlappung mit AT«

Zeitintervallen AT% in den Pausen zwischen den Inter- zu vermeiden. Der letztere Vorteil bedeutet, daß Frei-

zügigkeit bezüglich der Zugform, Freizügigkeit von der Impulsbreite und Freizügigkeit von Impulsverschiebungen (Zittern) erreicht wird. Zusätzlich ergibt in einigen Fällen ein Abfragen während der Ruhepausen gegen den Nullbezugswert eine geringere Welligkeit der Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung kann als Wechselspannung oder nach leichter Filterung als Gleichspannung verwendet werden, wie das für Prozeß-Steuerungsmechanismen, Signaldarstellunc oder andere Zwecke zweckmäßig ist.

Der Abfrager 18 soll vorzugsweise keine Gleichstrom-Vorspannungen in den Teil des Signals einführen, den er weiterleitet, und auch nicht zurück in die Kopplung, weil hierdurch Fehler eingeführt würden, die eine zusätzliche Kompensation für solche Vorspannungen erfordern wurden.

Bei der in F i g. 2 detailliert dargestellten Ausführungsform besteht die Signalquelle aus einem Konverter mit einer Photozelle 30, die zerhackte elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Licht, vom Zerhacker 31 erhält. Die Ausgangsspannung der Photozelle besteht aus einem Impulszug aus elektrischen Signalen, der bei 32 zur Weiterleitung an die Wechselstromkopplung verstärkt wird. Diese letztere besteht in der dargestellten Ausführungsform aus einem .RC-Netzwerk, aus einer Kapazität 33, die elektrisch in Reihe zwischen der Signalquelle und dem Abfrager 18 liegt, und einem Widerstand 34, der elektrisch zwischen dem Verbindungspunkt von Kondensator und Abfrager einerseits und Erde andererseits liegt. Typischerweise ist der Wert des Widerstandes 34 groß gegenüber der Reaktanz

wobei C der Wert des Kondensators 33 und /₀ die Impulswiederholungsrate ist, um eine große Zeitkonstante zu erhalten. Gemäß F i g. 6 kann der Koppler jedoch genau so gut ein Transformator 56 sein, dessen Primärwicklung 52 über dem Ausgang der Signalquelle 10 liegt und dessen Sekundärwicklung 53 über dem Eingang des Abfragers 18 liegt.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist der Abfrager 18 ein Feldeffekttransistor 36, dessen Quellen- und Sauganschlüsse 37 wie dargestellt geschaltet sind, und der einen SteueranschluD 38 aufweist. Eine Einrichtung, mit der Einschaltspannung an den Steueranschluß 38 des Transistors während der Ruheintervallabfragung gelegt wird, ist allgemein bei 39 dargestellt. Der letztere hat eine Ruheintervallsynchronisieruiig bei 40 mit der Signalquelle, beispielsweise dem Zerhacker 31. Weitere Bauteile gemäß F i g. 2 sind ein Glättungsfilter 41, ein Verstärker 42 und ein Verbraucher 22, der beispielsweise ein Anzeigegerät, ein Steuermechanismus oder irgendein anderes System oder eine Gruppe von Systemen sein kann, das auf das gewünschte Maß des Signalimpulspegels anspricht.

Gemäß F i g. 4 liegen die Elemente 15, 18 und 22 gemäß F i g. 1 in jedem von η Kanälen, von denen die Kanäle X₁ und .v_n angedeutet sind. Es ist ebcnf Ils eine Impulssortiereinrichtung dargestellt, die eine Steuerung 45 für Kanalschalter 46 enthält, mit der χ,-lmpulse (vgl. F i g. S) aus dem Impulszug 50 aussortiert werden, um zur Wechselstromkopplung 15 weitergcleitet zu werden, die dem Kanal .v, zugeordnet ist, und um .\«-Impulse aus dem Zug auszusortieren, die zum Wcchselstromkopplcr 15 übertragen werden sollen, der dem Kanal .Y_n zugeordnet ist; in jedem Kanal wird das Signal vom Schalter 46 am Eingang der Kopplung 15 mit einer Halteschaltung 61 aufrechterhalten, wenn der Schalter 46 offen ist.

Gemäß F i g. 4 ist weiter eine Steuerung 51 vorgesehen, die die Arbeit der Signalpegelabfrage 18 in den einzelnen Kanälen X₁.. .x„ steuert, um die Ausgangs-.»pannung L₈ im Kanal .V₁ abzufragen, während X_n-Impulse zur Kopplung 15 im Kanal x_n übertragen werden, und die Ausgangsspannung L₁ im Kanal x_n abzufragen, wenn .ΧΊ-Impulse zum Koppler im Kanal X₁ übertragen werden, wie sich aus den Spannungsverläufen für die Kanäle A₁ und X_n in F i g. 5 ergibt. Es ist zu beachten, daß die Steuerung 45 den Schalter 46 im Kanal X₁ so steuert, daß der Impulszug übertragen wird, wenn der Schalter 46 im Kanal x_n offen ist, um den Zug abzusperren, und umgekehrt. Der Vorteil einer solchen Schaltung besteht darin, daß die Vorteile der Ruheintervallabfragung auch für ein Zeit-Multiplex-System verfügbar werden. Die Synchronisierung der Steuerungen 45 und 51 ist bei 60 angedeutet.

F i g. 6 zeigt die Verwendung der ungefilterten Ausgangswechselspannung des Abfragers 18, nach Ver-Stärkung bei 54, als Antrieb für einen Wechselstrommotor 55, der etwa der Motor eines mechanischen Indikators, beispielsweise eines Schreibers, sein kann, oder der ein Motor sein kann, der dazu verwendet wird, einen physikalischen Parameter zu steuern, der vom Ruheintervall-Abfragesystem gemessen wird, oder der in anderer Weise verwendet werden kann, einschließlich einer visuellen oder anderen Anzeige.

Es ist noch hervorzuheben, daß die Erfindung auch bei Impulsen unregelmäßiger Form anwendbar ist, wenn auch solche nicht dargestellt sind, und weiterhin, daß diese Erfindung auch auf nicht elektronische Signale anwendbar ist, beispielsweise solche, die in Strömungsmittelsystemen angetroffen werden.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen des einem Impulszug zugeordneten Signalpegels mit einer Kopplungseinrichtung, die im wesentlichen während der Impulsübertragung ein Ausgangssignal einer Polarität und während der Impulspausen ein Ausgangssignal der anderen Polarität gegen den Nullbezugswert des Ausgangssignals liefert, und einer Abfrageeinrichtung, die während eines Teils des den Impulspausen entsprechendenTeils des Ausgangssignals dieses abfragt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung so ausgebildet ist, daß

fLdt 2: 0

mit

T₀ = Impulsperiodendauer,
L = Ausgangssignalamplitude,
t ~ Zeit,

und daß der abgefragte Teil des Ausgangssignals gegen den Nullbezugswert gemessen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung aus

10

einem i?C-Netzwerk besteht, dessen Zeitkonstante wenigstens mehrere Male größer ist als die Impulsperiodendauer.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung aus einer Kapazität besteht, die in Reihe zwischen einer ■Impulsquelle und der Abfrageeinrichtung liegt, und einem Widerstand, der zwischen dem Verbindungspunkt von Kondensator und Abfrageeinrichtung einerseits und Erde andererseits liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung aus einem Transformator besteht, dessen Primärwicklung mit der Impulsquelle und dessen Sekundärwicklung mit der Abfrageeinrichtung verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageeinrichtung aus einer elektrischen Schalteinrichtung besteht, die mit der Kopplungseinrichtung verbunden ao ist, und einer Steuereinrichtung, mit der die Schalteinrichtung so betätigt wird, daß das Ausgangssignal während des den Impulspausen entsprechenden Teils übertragen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge- as kennzeichnet, daß ein Glättungsfilter zwischen die Schalteinrichtung und den Indikator geschaltet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse von einem elektrooptischen Konverter abgeleitet sind, der auf Grund einer gepulsten elektromagnetischen Strahlung einen Impulszug aus elektrischen Signalen liefert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter aus einem lichtempfindlichen Gerät besteht.

9. Vorrichtung zum Messen des mehreren miteinander gemischten Impulszügen zugeordneten Signalpegels, bestehend aus mehreren Kanälen, in die jeweijs Vorrichtungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulssortierer vorgesehen ist, mit dem jeweils zu einem Impulszug gehörende Impulse aus dem Impulszuggemisch aussortiert und der Kopplungseinrichtung des diesem Impulszug zugeordneten Kanals zugeführt werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung vorgesehen ist, mit der die Abfrageeinrichtung jedes Kanals so gesteuert wird, daß sie den Teil des Ausgangssignals, der den Impulspausen im zugeordneten Impulszug entspricht, abfragt, während Impulse anderei Impulszüge an die diesen zugeordneten Kanäh übertragen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen