DE19620736C1 - Elektronische Schaltung zum hochauflösenden Messen von Zeiten - Google Patents
Elektronische Schaltung zum hochauflösenden Messen von ZeitenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum hochauflösenden Messen
von Zeiten, mit einem zu Beginn der Zeitmessung anzustoßenden Oszillator, einer
ersten Einrichtung zur Grobzeitmessung, in der die Anzahl der Oszillatorperioden
gezählt wird, einer zweiten Einrichtung zur Feinzeitmessung umfassend eine
Gatterkette, in der die Phasenlage der momentan anliegenden Periode des Oszil
lators im Zeitpunkt der Beendigung der Zeitmessung bestimmt wird, anhand wel
cher die Zeit seit dem Auftreten der Periodenflanke ermittelbar ist, und einer mit
der ersten und der zweiten Einrichtung kommunizierenden Verarbeitungseinheit.
Die möglichst genaue und hochauflösende Messung von Zeiten stellt seit jeher
auf dem Meßtechniksektor ein Problem dar, das bisher im Stand der Technik nur
unzureichend gelöst ist. Entweder werden sehr hohe Meßfrequenzen benutzt, was
zu Nachteilen bei der Verlustleistung und zu hohen Kosten hinsichtlich der anzu
wendenden Technologie führt, oder es wird eine Grobbestimmung mit einem nie
derfrequenten Takt durchgeführt, wobei der Auflösungsfehler durch analoge Ele
mente vermessen und kompensiert wird. Auch diese Alternative verursacht infolge
der zu verwendenden analogen Bauelemente mit oft sehr kritischen Anforderun
gen hohe Kosten. Um diese Probleme zu vermeiden, ist aus der Deutschen Pa
tentschrift DE 41 11 350 eine elektronische Schaltung zum Messen eines kurzen
Zeitintervalls, das in Form eines elektrischen Meßpulses vorliegt, bekannt, welche
die obengenannten Komponenten beinhaltet. Bei dieser Schaltung wird ein Rin
goszillator mit einer integrierten Gatterkette, die Bestandteil des Oszillators ist,
verwendet. Mittels eines nachgeschalteten Phasenindikators wird der jeweilige
Zustand der einzelnen Inverter innerhalb der Gatterkette und damit die momenta
ne Phasenlage der durchlaufenden Welle im Zeitpunkt der Beendigung der Zeit
messung erfaßt, woraus mit Einbeziehung der ebenfalls gezählten kompletten
Oszillatorperioden die vergangene Zeit gemessen werden kann. Bei der in dieser
Schrift beschriebenen Schaltung handelt es sich bei dem Oszillator um einen Rin
goszillator, in den die Gatterkette vollständig integriert ist. Dieser Ringoszillator
schwingt mit seiner Eigenfrequenz, die sich aus den Laufzeiten sämtlicher nach
geschalteter Inverter sowie deren Anzahl ergibt. Dies führt aber, da die die Fre
quenz bestimmenden Bauteile, nämlich der Oszillator selbst und die nachgeschal
teten Inverter, jeweils unterschiedliche Verhalten und Parameterabhängigkeiten
besitzen, zu Ungleichmäßigkeiten der Gatterlaufzeit und damit zu Zeitmeßfehlern.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Tatsache, daß die Eigenschaften elek
tronischer Bauteile auf einem Chip von deren geometrischen Ausrichtung auf
demselben abhängig sind. Bei einem Ringoszillator, wie er in der DE 41 11 350
verwendet wird, muß der Ausgang der Gatterkette in irgendeiner Weise auf seinen
Eingang zurückgeführt werden. Dies führt aber entweder zu einer Ungleichmäßig
keit in der Leitungslänge oder aber zu einer unterschiedlichen Ausrichtung der
einzelnen Bauelemente auf dem Kristall, um die erforderliche Rückführung zu
bewirken. Hieraus resultieren folglich aus geometrischen Gründen Ungleichmä
ßigkeiten. Weitere Ungleichmäßigkeiten ergeben sich bei der im Stand der Tech
nik bekannten Lösung daraus, daß im Rahmen der Rückführung jeweils entweder
der positive oder der negative Teil der Welle des Oszillatorsignals zurückgeführt
wird. Auch aus dem Anschluß nachfolgender Bauelemente an den Ringoszillator
ergeben sich Ungleichmäßigkeiten. Eine exakte Messung ist infolgedessen nicht
möglich, was insbesondere dann extrem nachteilig ist, wenn sehr kurze Zeiten, die
einer entsprechend hohen Auflösung bedürfen, vermessen werden sollen.
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, die
die genannten Probleme beseitigt und eine exakte Zeitmessung ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektronischen Schaltung der eingangs
genannten Art vorgesehen, daß die Gatterkette dem separaten Oszillator nachge
schaltet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung sind somit vorteilhaft der Oszillator und die
Gatterkette selbst voneinander getrennt und stellen quasi separate Bauteile dar,
so daß eine Abhängigkeit des Oszillators in seinen Schwingungs- und Frequen
zeigenschaften von der Gatterkette infolge der Entkopplung nicht mehr gegeben
ist. Auf diese Weise können mit besonderem Vorteil die sich aus spezifischen
Verhaltensgründen ergebenden Ungleichmäßigkeiten vermieden werden. Insbe
sondere ist infolge der Entkopplung keine wie im Stand der Technik nötige Rück
führung des Kettenausgangs nötig, so daß die hieraus resultierenden geometri
schen und rückführungsbedingten Ungleichmäßigkeiten vorteilhaft vermieden
sind.
Infolge der Entkopplung bzw. Trennung von Oszillator und Gatterkette ist wegen
der nunmehr nicht mehr erforderlichen Rückführung des Kettenausgangs schließ
lich auch die Anordnung der Elemente der Gatterkette, die im Stand der Technik - sofern
die Rückführung nicht über eine Leitung erfolgt - zwangsläufig unterschied
lich ausgerichtet sind, nicht mehr gebunden, so daß jedwede geometrische An
ordnung möglich ist. Als besonders vorteilhaft und zweckmäßig hat es sich erwie
sen, wenn die Gatterkette als geometrisch lineare Gatterkette ausgebildet ist, das
heißt, die einzelnen Gatterkettenelemente sind in einer linearen Anordnung hin
tereinandergeschaltet, was dazu führt, daß mit besonderem Vorteil die eingangs
beschriebenen, aus einer unterschiedlichen geometrischen Ausrichtung der Bau
teile resultierenden Ungleichmäßigkeiten vermieden werden und eine weitere
Verbesserung der Messung erreicht werden kann, da diese Ungleichmäßigkeiten
das Meßergebnis nicht negativ beeinflussen können.
Ein weiteres Problem, das der aus der DE-PS 41 11 350 entnehmbaren Schaltung
zu eigen ist, resultiert aus dem Aufbau der Gatterkette mittels Invertern. Denn in
folge der Invertierung des Signals bei jedem Glied der Inverterkette muß stets ei
ne andere Polarität der durchlaufenden Welle an jedem Inverterausgang gemes
sen werden, was zu einer ungleichmäßigen Auflösung des Meßverfahrens führt.
Eine weitere Fehlerquelle ist das Tastverhältnis des Ringoszillators von ungleich
50%, was aus den unterschiedlichen Verzögerungszeiten von positiver und nega
tiver Flanke bei in CMOS-Technologie aufgeführten Invertern resultiert und zu pe
riodischen Fehlern im Bereich von ± 100 Pikosekunden führt.
Um auch diesem Problem Abhilfe zu schaffen, ist in weiterer Erfindungsausgestal
tung vorgesehen, daß die Gatterkette aus identischen nichtinvertierenden Schal
tungselementen besteht. Mit dieser linearen Gatterkette, bei der die durchlaufen
de Welle nicht an jedem Schaltungselement invertiert wird und infolgedessen an
jedem Ausgang der Elemente die gleiche Polarität gemessen wird, heben sich
somit bei identischen Elementen alle polaritätsabhängigen Schwankungen her
aus, und jede Stufe ergibt folglich stets die selbe Verzögerung. Die im Stand der
Technik auftretenden Probleme sowohl hinsichtlich der Auflösung als auch der
Unregelmäßigkeiten im Tastverhältnis können so mit besonderem Vorteil ausge
räumt werden.
Da insbesondere kurze Zeiten zu messen sind, ist zur Erzielung eines hohen
Auflösungsvermögens erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Schaltungselemen
te eine Verzögerungsfunktion besitzen, so daß das durchlaufende Oszillator-Signal
in seiner Phasenlage exakt im Zeitpunkt der Beendigung der Messung be
stimmbar ist. Die Schaltungselemente selbst können erfindungsgemäß
Tristate-Elemente sein, welche signalabhängig in einen hochohmigen Zustand versetzbar
sind und auf diese Weise der Zustand der Gatterkette "eingefroren" wird. Im
Rahmen einer zweiten Erfindungsalternative kann jedem Schaltungselement, also
jedem einzelnen Buffer, ein D-Flip-Flop nachgeschaltet sein, dessen D-Eingang
mit dem Ausgang des Schaltungselements verbunden ist. Bei dieser Version wer
den die einzelnen Flip-Flops bei Anliegen des Stop-Impulses am Takteingang ent
sprechend aktiviert, womit der momentane Flankenstand der durchgeführten
Welle innerhalb der Verzögerungsleitung detektiert werden kann. In einer dritten
erfindungsgemäßen Alternative können die Schaltungselemente aus transparen
ten D-Flip-Flops bestehen, welche ebenfalls mittels eines am Flip-Flop-Eingang
anliegenden Stop-Signals entsprechend geschaltet werden können, so daß mit
besonderem Vorteil auch hier der letzte Zustand der Gatterkette quasi
"eingefroren" werden kann. In anderer Erfindungsausgestaltung kann ferner vor
gesehen sein, daß der Gatterkette und ggf. den Schaltungselementen, den D-Flip-Flops
oder den transparenten D-Flip-Flops eine Dekodierschaltung nachgeschal
tet ist, mittels welcher der jeweilige Zustand direkt auslesbar ist und als entspre
chend aufbereitetes Signal in der jeweiligen Einrichtung entweder weiterverarbei
tet oder direkt der Verarbeitungseinheit zugeführt wird.
Die Anzahl der Schaltungselemente der Gatterkette kann erfindungsgemäß derart
gewählt sein, daß mindestens zwei komplette Oszillatorperioden führbar sind. Als
Oszillator kann erfindungsgemäß ein Festfrequenzoszillator, insbesondere mit
einem Quarz- oder Keramikresonator, verwendet werden, was aus mehrerlei Hin
sicht von besonderem Vorteil ist. Denn bei derartigen Oszillatoren ist die Peri
odendauer mit hoher Genauigkeit bekannt. Ist nun die Gatterkette lang genug, so
enthält sie mehrere Phasenbeginne des Oszillator-Signals. Mittels der Dekodier
schaltung ist es dann möglich, die jeweiligen Periodengänge gleicher Polarität zu
ermitteln und aus der Zahl der Schaltungselemente zwischen diesen jeweiligen
Stellen die Verzögerungszeit einer Stufe aus der Division der exakt bekannten
Periodendauer des Oszillators und der Zahl der Schaltungselemente zwischen
diesen identischen Flanken zu ermitteln. Auf diese Weise wird es mit besonderem
Vorteil und infolge der Trennung von Oszillator und Laufzeitkette ermöglicht, ohne
jedweden zusätzlichen Kalibrierzyklus auch die unbekannte und variable Element
verzögerungszeit mit zu bestimmen, was ein weiterer Vorteil gegenüber der aus
der DE-PS 41 11 350 bekannten Schaltung ist, bei welcher temporäre Kalibrier
zyklen, während welcher keine Messung stattfinden kann, durchgeführt werden
müssen.
Demgegenüber kann der Oszillator im Rahmen einer weiteren Erfindungsalterna
tive auch als Laufzeit- oder als Rückkopplungsoszillator ausgebildet sein, wobei
zur Bestimmung der bei diesen Oszillatoren von insbesondere den äußeren Pa
rametern abhängigen Frequenz eine Einrichtung zur Frequenzbestimmung nach
geschaltet ist, wobei die hiermit bestimmte Frequenz vorteilhaft zur abschließen
den Zeitberechnung verwendet wird. Finden derartige Oszillatoren Einsatz, so hat
es sich im Rahmen der Erfindung als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die
Periodendauer des Oszillators mindestens um einen Faktor 2, vorzugsweise um
einen Faktor 3, kleiner ist als das die Durchlaufzeit einer Periode durch die Gat
terkette, da eine Frequenzschwankung in diesem Bereich - wie bereits oben an
gesprochen - infolge äußerer Einflüsse od. dgl. ohne weiteres möglich ist und so
sichergestellt ist, daß auch bei Frequenzschwankungen stets mindestens eine
Periode innerhalb der Gatterkette führbar ist. Es ist also vorteilhaft möglich, in der
Gatterkette mindestens zwei Perioden und damit zwei Phasensprünge zu führen.
Der Abstand der Phasensprünge kann dann mit besonderem Vorteil gemessen
werden, woraus anschließend die Durchlaufzeit der Perioden durch die Gatterket
te bestimmt werden kann. Auf diese Weise ist eine sehr einfache Eichung mög
lich, ohne hierfür besondere Eich- oder Kalibrierzyklen vorzusehen.
Die Zähleinrichtung der ersten Einrichtung für die Grobzeitmessung kann auf Ba
sis der Erfindung ein frequenzbeaufschlagtes Flip-Flop umfassen, womit eine äu
ßerst einfache, aber wirkungsvolle Zähleinrichtung geschaffen wird. Dies gilt um
so mehr, wenn, wie erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein kann, die Zählein
richtung einen, ggf. dem Flip-Flop nachgeschalteten, zumindest in der ersten
Stufe asynchronen Zähler, insbesondere einen Binärzähler, umfaßt, mittels wel
chem die einzelnen Perioden sicher gezählt werden können.
Probleme können im Rahmen der Zählung der Periodenanzahl des Oszillators
dann entstehen, wenn das Stop-Signal genau im Zeitpunkt des Ansteigens einer
Flanke eines neuen Signals oder in einem sehr eng begrenzten Toleranzbereich
dazu gegeben wird. In diesem Fall ist es dann fraglich, ob die Zähleinrichtung das
neue Signal bereits gezählt hat oder noch nicht. Zu diesem Zweck ist im Rahmen
der Erfindung ferner vorgesehen, daß ein zweites, dem ersten Flip-Flop vorge
schaltetes frequenzbeaufschlagtes Flip-Flop vorgesehen ist. Dieses Flip-Flop än
dert seinen Zustand, da vorgeschaltet, vor dem eigentlichen Zähl-Flip-Flop, was
dahingehend von besonderem Vorteil ist, daß bei dem genannten Problemfall im
Zeitpunkt des Stop-Signals entweder unterschiedliche Zustände der Flip-Flops
vorliegen, was bedeutet, daß die neue Periode im Zähl-Flip-Flop noch nicht ge
zählt ist. Befinden sich beide Flip-Flops im gleichen Schaltzustand, so ist die neue
Periode bereits gezählt. Neben der Ausführungsform, daß beide Flip-Flops auf die
selbe Flanke des Oszillator-Signals reagieren, kann in weiterer Erfindungsausge
staltung das zweite Flip-Flop derart ausgeführt sein, daß es auf die entgegenge
setzte Flanke des Oszillator-Signals reagiert, wozu erfindungsgemäß vorgesehen
sein kann, daß dem zweiten Flip-Flop ein Inverter vorgeschaltet ist, der das anlie
gende Oszillator-Signal invertiert und so die entgegengesetzte Schaltflanke liefert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den
im folgenden beschriebenen Beispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei
zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung,
Fig. 2 die Gatterkette in Tristate-Ausführung,
Fig. 3 die Gatterkette mit D-Flip-Flops zum Auslesen,
Fig. 4 die Gatterkette mit Schaltungselementen in Form transparenter
D-Flip-Flops, und
Fig. 5 eine Schaltskizze der ersten Einrichtung zur Grobzeitmessung.
Fig. 1 zeigt ein Übersichtsschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung. Diese
besteht aus einem Oszillator 1, der mittels des Start-Signals 2 angestoßen wird
und zu schwingen beginnt, wobei die Periodendauer - natürlich abhängig vom
verwendeten Oszillatortyp und dessen Stabilitätseigenschaften - in der Regel um
einen Faktor 3 kleiner als das kürzeste zu messende Zeitintervall ist. Dieses Oszil
lator-Signal wird zunächst auf eine erste Einrichtung 3 für die Grobzeitmessung
gegeben. Mit dieser Einrichtung 3 werden die einzelnen kompletten Perioden des
vom Oszillator bereitgestellten Signals gezählt, anhand welcher eine Grobbestim
mung der seit Beginn der Messung, also im Zeitpunkt der Zufuhr des
Start-Signals, bis zu dem Zeitpunkt, in dem ein Stop-Signal 4 zugeführt wird, bestimmt
wird. Parallel dazu wird das Oszillator-Signal einer Gatterkette 5 zugeführt, die
dem Oszillator 1, der ein separates Bauteil darstellt, direkt nachgeschaltet ist. Die
Gatterkette 5 besteht aus einer Vielzahl von nichtinvertierenden Schaltungsele
menten 6, die, wie bezüglich der Fig. 2 bis 4 beschrieben werden wird, in un
terschiedlichen Modifikationen ausgeführt sein können. Die Schaltungselemente
sind zur Vermeidung geometrischer Ungleichmäßigkeiten in linearer Reihe hinter
einander angeordnet. Jedes der identischen Schaltungselemente 6 besitzt eine
Verzögerungsfunktion, so daß die die Gatterkette 5 durchlaufende Welle an jedem
Schaltungselement in gleicher Weise vorbestimmt verzögert wird. Auf diese Wei
se ist eine entsprechend hohe Auflösung der Welle innerhalb der Gatterkette, die
für die anschließende Messung nötig ist, erreichbar. Jeder Ausgang der jeweiligen
Schaltungselemente 6 ist mit einer zweiten Einrichtung 7 für die Feinzeitmessung
verbunden. Mittels der Gatterkette 6 und der Feinzeitmessung 7 ist es möglich,
das durch die Gatterkette 6 laufende Oszillator-Signal an seiner jeweiligen Positi
on im Moment der Zufuhr des Stop-Signals zu ermitteln. Zu diesem Zweck verzö
gern die Schaltungselemente 6 das zugeführte Oszillator-Signal, um eine hohe
Auflösung zu erreichen. Wird nun das Stop-Signal 4 zugeführt, so wird dies zum
einen der Einrichtung 3 gegeben, die entsprechend die Zählung der kompletten
Oszillatorperioden beendet. Gleichzeitig wird das Stop-Signal 4 der Einrichtung 7
zugeführt, in welcher es mit Wirkung für die Schaltungselemente 6 entsprechend
verarbeitet wird, was bezüglich der folgenden Fig. 2 bis 4 noch näher be
schrieben werden wird. Die im Zeitpunkt des Stop-Signals 4 gemessenen Zeiten
der Einrichtungen 3 und 7 werden anschließend einer Verarbeitungseinheit 8 zu
geführt, in welcher anhand der jeweiligen Werte der tatsächliche Zeitwert zwi
schen Start- und Stop-Signal berechnet und ausgegeben wird, wobei der Berech
nungsmodus grob wie folgt angegeben werden kann:
tgesamt = n ·tgrob + x · tVerzögerung, mit
tgesamt: zu messende Gesamtzeit
n: Anzahl der Oszillatorperioden
tgrob: Periodendauer des Oszillators
x: Position der Flanken bzw. des Zustandswechsels in der Gatterkette
tVerzögerung : Verzögerungszeit eines Schaltungselements.
tgesamt = n ·tgrob + x · tVerzögerung, mit
tgesamt: zu messende Gesamtzeit
n: Anzahl der Oszillatorperioden
tgrob: Periodendauer des Oszillators
x: Position der Flanken bzw. des Zustandswechsels in der Gatterkette
tVerzögerung : Verzögerungszeit eines Schaltungselements.
In Fig. 2 ist nunmehr eine erste Ausführungsform der Gatterkette dargestellt. Die
Schaltungselemente 6 bei dieser Ausführungsform sind als Tristate-Elemente
ausgeführt. Am Eingang der Gatterkette liegt das Oszillator-Signal fosz an. Die zu
geführte Welle durchläuft im Falle, daß kein Stop-Signal zugeführt wird, die ge
samte Kette. Wird nun das Stop-Signal zugeführt, werden alle Schaltungselemen
te der Kette gleichzeitig in einen hochohmigen Zustand versetzt. Da mit der
durchlaufenden Welle in den einzelnen Elementen Zustandsänderungen bedingt
werden, und da bei Eintreffen des Stop-Signals infolge der Hochohmigkeit der
Elemente ein weiteres Durchlaufen der Welle nicht mehr möglich ist, werden die
jeweiligen Glieder quasi in ihren vorhandenen Zuständen "eingefroren". Diese
werden dabei in den Gate-Kapazitäten 9 der jeweils nachfolgenden Elemente ge
speichert. Die gespeicherten Ladungen werden im Anschluß an die Messung mit
einem Übernahmesignal SÜbernahme über elektronische Schalter auf eine nachge
schaltete Dekodierschaltung übernommen und letztlich innerhalb der Einrichtung
7 ausgewertet und für die Verarbeitungseinheit 8 aufbereitet. Anhand dieser La
dungszustände, die sich ja abhängig davon, wo der jeweilige Wellenpegel gerade
anliegt, ändern, kann somit die momentane Position des Pegels im Zeitpunkt des
Stop-Signals bestimmt werden und anhand der durchlaufenen Schaltungselemen
te und der bekannten Verzögerungszeiten derselben die Zeit bestimmt werden,
die seit dem Beginn der Periode, in welcher das Stop-Signal gegeben wird, ver
gangen ist.
Fig. 3 zeigt eine Gatterkette, bei welcher die Schaltungselemente 6 mit ihrem je
weiligen Ausgang an D-Flip-Flops 11 anliegen. Der Ausgang jedes Schaltungse
lements liegt dabei auf dem D-Eingang 12 eines jeden Flip-Flops. Am Taktein
gang 13 jedes D-Flip-Flops liegt im entsprechenden Fall das Stop-Signal 4 an und
aktiviert diesen. Wird das Stop-Signal 4 gegeben, so werden die Flip-Flops in ih
rem Schaltzustand abhängig davon, wie weit die Welle bereits durchgelaufen ist,
entsprechend gesteuert bzw. betätigt. Der jeweilige Zustand kann dann über den
Q-Ausgang der jeweiligen Flip-Flops mittels der Dekodierschaltung 10 ausgelesen
werden. Mit der in Fig. 3 gezeigten Schaltung kann der momentane Stand der
Flanke in der Gatterkette detektiert werden.
Eine weitere Ausführungsform einer Gatterkette ist in Fig. 4 gezeigt. Dabei besteht
die Gatterkette und damit jedes Schaltungselement selbst aus transparenten
D-Flip-Flops 14. Das Oszillator-Signal liegt an den D-Flip-Flops 14 jeweils am
D-Eingang an bzw. tritt am Q-Ausgang wieder aus. Am C-Eingang ist das
Stop-Signal 4 anlegbar. Liegt kein Stop-Signal an, so ist der C-Eingang auf 1 gelegt. In
diesem Fall wirkt das D-Flip-Flop wie ein normales Schaltungs- oder
Buffer-Element. Die Welle läuft mit einer gewissen elementspezifischen Verzögerung
durch die gesamte Kette. Wird nun das Stop-Signal gegeben, so wird der
Stop-Eingang auf 0 gelegt, so daß in den transparenten D-Flip-Flops der jeweils letzte
Zustand abgespeichert und auch hier die Kette quasi "eingefroren" wird. Dieser
Zustand kann am jeweiligen Q ausgelesen werden, wobei der Zustand abhängig
davon ist, wie weit die Welle durchgelaufen ist, d. h., die Detektierschaltung 10
liest abhängig vom Zustand eine 0 oder eine 1 aus.
Fig. 5 zeigt nun eine prinzipielle Schaltskizze des Aufbaus der Einrichtung 3 für
die Grobzeitmessung. Diese besteht zunächst aus einem ersten Flip-Flop 15, dem
das Oszillator-Signal fosz auf seinen Eingang gegeben wird. Am T-Eingang liegt
das Stop-Signal 4 an. Dem Flip-Flop 15 nachgeschaltet sind weitere Zählstufen 16
in Form eines Binärzählers, wobei das Flip-Flop 15 und der Binärzähler 16 in ei
nem asynchronen Verhältnis zueinander stehen. Über dem Q-Ausgang wird, wenn
eine neue Periode am Flip-Flop 15 anliegt, dem Binärzähler 16 ein Signal auf sei
nen Eingang gegeben, so daß die Wertigkeit entsprechend um 1 erhöht wird. Dies
wird so lange betrieben, bis das Stop-Signal am T-Eingang anliegt. Für den Fall,
daß das Stop-Signal 4 genau oder nur in einem minimalen Zeitbereich vor oder
nach dem Auftreten einer Flanke einer neuen Periode, die zu einer Zählung führt,
gegeben wird, ist dem Flip-Flop 15 ein zweites Flip-Flop 17 vorgeschaltet, mittels
welchem es letztlich feststellbar ist, ob das Flip-Flop 15 diese neue Flanke bereits
gezählt hat oder nicht. Diesbezüglich muß Sicherheit bestehen, da ansonsten
entweder eine Periode zu viel oder zu wenig gezählt wurde. Am Eingang des
Flip-Flops 17 liegt ebenfalls das Oszillator-Signal fosz an, jedoch mit zum normalen Si
gnal entgegengesetzter Flanke, da das Signal mittels eines Inverters 18 invertiert
wird. Am T-Eingang des Flip-Flops 17 liegt auch hier das Stop-Signal 4 an. Das
Flip-Flop 17 reagiert auf die entgegensetzte Flanke des invertierten
Oszillator-Signals. Wird diese gegeben, so schaltet das Flip-Flop 17 infolge seiner Vorschal
tung zeitig früher als das Flip-Flop 15 und hat somit für die Zeit bis zum Schalten
des Flip-Flops 15 einen anderen Schaltzustand als dieses. Kommt nun das
Stop-Signal 4, so werden die Zustände in den beiden Flip-Flops 15 und 17 fixiert. An
hand der an den Q-Ausgängen anstehenden Signale 19 und 20 ist es dann mög
lich, festzustellen, ob das Flip-Flop 15 die neue Periode bereits gezählt hat oder
aber nicht. Haben die Signale 19 und 20 die gleiche Wertigkeit, so hat der Zähler
16 bzw. das Flip-Flop 15 bereits geschaltet und damit die Periode gezählt. Stim
men die beiden Signale 19 und 20 nicht überein, so erfolgte noch keine Signalzäh
lung. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, daß es sich bei der ersten Stufe des
Grobzählers um einen Asynchronzähler handelt, d. h., daß die höheren Stufen erst
dann schalten können, wenn die erste Stufe, nämlich das Flip-Flop 15, bereits
geschaltet hat.
Claims (17)
1. Elektronische Schaltung zum hochauflösenden Messen von Zeiten, mit ei
nem zu Beginn der Zeitmessung anzustoßenden Oszillator, einer ersten
Einrichtung zur Grobzeitmessung, in der die Anzahl der Oszillatorperioden
gezählt wird, einer zweiten Einrichtung zur Feinzeitmessung umfassend ei
ne Gatterkette, in der die Phasenlage der momentan anliegenden Periode
des Oszillators im Zeitpunkt der Beendigung der Zeitmessung bestimmt
wird, anhand welcher die Zeit seit dem Auftreten der Periodenflanke ermit
telbar ist, und einer mit der ersten und der zweiten Einrichtung kommunizie
renden Verarbeitungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterkette
(5) dem separaten Oszillator (1) nachgeschaltet ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterkette
als geometrisch lineare Gatterkette ausgebildet ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gat
terkette (5) aus identischen nichtinvertierenden Schaltungselementen (6)
besteht.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung
selemente (6) eine Verzögerungsfunktion besitzen.
5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltungselemente (6) Tristate-Elemente (Fig. 2) sind.
6. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem
Schaltungselement (6) ein D-Flip-Flop (11) nachgeschaltet ist, dessen
D-Eingang (13) mit dem Ausgang des Schaltungselements (6) verbunden ist.
7. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltungselemente transparente D-Flip-Flops (14) sind.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gatterkette (5) und ggf. den Schaltungselementen (6), den
D-Flip-Flops (11) oder den transparenten D-Flip-Flops (14) eine Dekodierschal
tung (10) nachgeschaltet ist.
9. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Anzahl der Schaltungselemente (6) der Gatterkette (5)
derart gewählt ist, daß mindestens zwei komplette Oszillatorperioden führ
bar sind.
10. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Oszillator ein Festfrequenzoszillator, insbesondere mit
einem Quarz oder Keramikresonator ist.
11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Oszillator ein Laufzeit- oder ein Rückkopplungsoszillator ist.
12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Oszillator
eine Einrichtung zur Bestimmung der Frequenz nachgeschaltet ist.
13. Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pe
riodendauer des Oszillators mindestens um einen Faktor 2, vorzugsweise
um einen Faktor 3 kleiner ist als die Durchlaufzeit einer Periode durch die
Gatterkette.
14. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zähleinrichtung (3) der ersten Einrichtung für die Grob
zeitmessung ein frequenzbeaufschlagtes Flip-Flop (15) umfaßt.
15. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zähleinrichtung (3) einen, gegebenenfalls dem Flip-Flop (15)
nachgeschalteten, zumindest in der ersten Stufe asynchronen Zähler
(16), insbesondere einen Binärzähler umfaßt.
16. Schaltung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein
zweites, dem ersten Flip-Flop (15) vorgeschaltetes frequenzbeaufschlagtes
Flip-Flop (17) vorgesehen ist.
17. Schaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten
Flip-Flop (17) ein Inverter (18) vorgeschaltet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19620736A DE19620736C1 (de) | 1996-04-03 | 1996-05-23 | Elektronische Schaltung zum hochauflösenden Messen von Zeiten |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19613312 | 1996-04-03 | ||
DE19620736A DE19620736C1 (de) | 1996-04-03 | 1996-05-23 | Elektronische Schaltung zum hochauflösenden Messen von Zeiten |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19620736C1 true DE19620736C1 (de) | 1997-05-28 |
Family
ID=7790358
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19620736A Expired - Fee Related DE19620736C1 (de) | 1996-04-03 | 1996-05-23 | Elektronische Schaltung zum hochauflösenden Messen von Zeiten |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19620736C1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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