DE1962531A1 - Verfahren und Anordnung zur Frequenzmessung eines periodischen Saegezahnsignals - Google Patents

Description

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EOBOPAEIBCHB ATOMQEMEINSCHAFT (EURATOM)

Kirchberg (Luxemburg)

Patentanmeldung

Verfahren und Anordnung zur Frequenzmessung eines
periodischen Sägezahnsignals

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenaaiteasung eines periodischen Sägezahnsignals mit Hilfe eines Zählere, der während einer festen Zeitspanne die Sägezahnimpulse kumuliert, sowie eine Anordnung zur durchführung dieses Verfahrens«:

In Digital-Voltmetern wird im allgemeinen die Eingangsspannung einem Integrator zugeführt, der bei Erreichen eines vorgegebenen Integrationswertes durch einen Normimpuls in eine Integrations*

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Anfangsstellung gebracht wird. Hierbei entsteht am Ausgang des Integrators eine Sägezahnspannung, wobei die Steigung einer Sägezahnflanke proportional der zu messenden analogen Eingangsgröße ixet.Je'größer der Eingangswert, umso, schneller erreicht der Integrator seine Rückstellschwelle und umso höher wird die Frequenz des Sägezähns. Die Genauigkeit eines derartigen Voltmeters hängt einmal von der Integrationsgenauigkeit ab und zum zweiten von der Genauigkeit, mit der die Frequenz des Sägezahns bestimmt werden kann. Mit dem letztgenannten Genauigkeitsproblem befaßt sich die Erfindung.

Zur Frequenzmessung steht nur eine begrenzte Zeitspanne zur Verfugung, während der beispielsweise alle auftretenden Korm-Rücketellimpulse erfaßt werden» Die Zeitspanne wird durch Steuerimpulse definiert, die von einer »entralen Ohr *u Beginn und «ar Ende der Zeitspanne geliefert werden. Da der Sägezahn jedoch tu diesen ührimpulsen völlig asynchron ist, läflt sich die Sägezahnfrequenz auf diese Weise nur ungenau ermitteln, weil ein prinzipieller Fehler von ^f Ϊ Zählimpuls nicht zu vermeiden ist» Je nach der Lage der Zählzeltspanne zur Phase des Sägezahns wird ein Impuls mehr oder weniger registriert.

Ein bekanntes auf dem Markt befindliches digitales Voltmeter reduziert diesen systematischen Fehler dadurch. _t daß der Integrator diskontinuierlich betrieben wird, so daß der Integrationsbeginn

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stetes-mit dem Beginn der Zeitspanne zusammenfällt.» Man braucht dann:nur den Augenblickswert des Sägezahns am Ende der Zeitspanne zu messen, in digitale Form zu überführen und sozusagen als Stellen hinter.dem Komma dem Wahlergebnis zuzufügen. Dadurch, wird zwar die Genauigkeit des Zählergebnisses um eine Größenordnung verbessert, man nimmt jedoch dafür in Kauf, daß der Integrator diskontinuierlich betrieben werden muß, wodurch die Genauigkeit des Integratioaeprozesses gegenüber einem kontinuierlichen Betrieb verringert wird.

Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Anordnung zur Frequenzmessung eines Sägezahns vorgeschlagen, die die erwähnten Nachteile nicht mehr aufweisen, was bedeutet, daß durch die Erfindung die Genauigkeit der Frequenzmessung wesentlich erhöht wird, ohne daß die Genauigkeit der Integration darunter leidet.

Das" erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß der Augenblickewert des Signals zu Beginn der Zeitspanne gespeichert wird und daß nach Ende der festen Zeitspanne die Augenblickswerte des Sägezahns zu Beginn und am Ende der Zeitspanne miteinander verglichen werden» worauf das Vergleiehsergebnis digitalisiert zur Korrektur und Ergänzung des Zählergebnisses verwendet wird..

In' Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es-günstig, das y&rgleichsergebnis nur_;während der flacheren "Flanke des Sägezahns direkt zu verwenden, während Augenblickewerte, die während

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der steileren Sägezahnflanke aufgenommen werden, durch Festwerte, ersetzt werden, die dem Sägezahnmaximum entsprechen.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem Zähler, der während einer festen Zeitspanne die Sägezahnimpulse kumuliert und aus einer Korrekturschaltung,in der zwei Track -and Hold-Verstärker und ein Komparator vorgesehen sind.. Diese Verstärker halten die Sägezahn-Augenblicksspannungen im Moment des Beginns und des Endes der festen Zeitspanne fest, während der Komparator diese Spannungen miteinander vergleicht und das Vergleichsergebnis einem Analog-Digital-Wandler geringer Güte zuführt. I

Nachfolgend wird die Erfindung mit Hilfe zweier Figuren näher erläutert, von denen

Figur 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungs- ;

form zur Durchführung des Verfahrens zeigt, während

Figur 2 einige Spannungs/Zeit-Diagramme zur Erläuterung der An- _;

Ordnung nach Figur 1 enthält· |

■ V

Der Vollständigkeit halber sei zuerst eine bekannte Anordnung be- --

schrieben, die einen Sägezahn mit zu messender Frequenz erzeugt. ^;

Eine unbekannte analoge Gleichspannung U wird einem Integrator {

zugeführt, der aus einem Verstärker 1 hoher Güte und aus einem . · Rückkopplungskondensator 2 sowie einem Eingangswiderstand 3 besteht.

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Am Ausgang dieses Verstärkers entsteht also eine Flanke, deren Steigung proportional U ist. Dieser Verstärkerausgang wird einem Komparator *f zugeführt, in dem ein festeingestellter Schwellenwert mit der Eingangsgröße verglichen wird. Nur wenn dieser Schwellenwert erreicht wird, gibt der Komparator ein Ausgangssignal, das in einem nachgeschalteten Impulsformer 5 zu einem Einheitsimpuls geformt wird. Die Fläche des Impulses ist so bemessen, daß der Integrator auf einen definierten Integrations-Anfangswert zurückgeführt wird, wenn dieser Impuls über einen weiteren Eingangswiderstand 6 an den Verstärker 1 angelegt wird.

Auf Grund dieser Rückkopplugg entsteht ein Sägezahn am Ausgang des Integrators, dessen Form in Figur 2 Diagramm a) wiedergegeben ist. Die positive AnstiegÄflanke ist relativ steil und entspricht der Wirkung des normierten Rückstellimpulses aus dem Impulsformer 5· Der Ausgang dieses Impulsformers ist als Diagramm c) in Figur 2 dargestellt. Die negative Flanke des Sägezahns wird durch die Integrationsgröße U bestimmt. Der ßesamthub des Sägezahns zwischen dem im Komparator k eingebauten Schwellenwert und dem Integrations-Anfangswert sei mit U bezeichnet. Der Ausgang des Impuls·* formers 5 steuert zugleich den Zählvorgang über einen weiteren Impulsformer 7 und ein UND-Tor 8, Die aus dem UND-Tor 8 kommenden Impulse werden einem Dezimalzähler 9 als Zählimpulse zugeführt.

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Die feste Zeitspanne wird durch einen Startimpuls an einem Eingang 10 und durch einen Stopimpuls an einem anderen Eingang 11 definiert. Mit dem Startimpuls wird ein bistabiles Flip-Flop 12 eingeschaltet und mit dem Stopimpuls ausgeschaltet. Das Flip-Flop steuert das erwähnte UND-Tqr 8 auf, solange es eingeschaltet ist.

In Figur 2 (Diagramm b)) ist der Schaltzustand des Flip-Flops wiedergegeben. Dieses Flip-Flop ist zuerst ausgeschaltet, dann ist es während der festen Zeitspanne eingeschaltet und wird dann schließlich wieder ausgeschaltet· Dementsprechend geigt Diagramm e) , welches den Ausgang des UND-Tores 8 wiedergibt, daß genau zwei Impulse während der festen Zeitspanne gezählt worden.

Es ist unmittelbar einzusehen, daß ein dritter Impuls gezahlt würde, wenn die Phase des Sägezahns gegenüber dem dargestellten Fall geringfügig voreilen würde, weil dann am Schluß noch ein dritter Impuls registriert würde, ohne daß zu Beginn ein Impuls verschwunden wäre. Dieser systematische Fehler, der in dem dargestellten Fall 33 % des Meßresultates ausmacht, soll .erfindungsgemäß reduziert werden. Natürlich wird man sich in der Praxis nicht mit zwei Sägezahnperioden pro Meßzeitspanne zufriedengeben, aber Vielfach besteht die Tendenz, die Zeitspanne so kurz wie möglich zu halten, so daß der Fehler immerhin in die Größenordnung von einigen Prozenten kommen kann. Auf der anderen Seite ist es/ ohne Verlust an Integrationsgenauigkeit nicht zulässig, die Fre-

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quenz des Sägezahns beliebig au erhöhen. In diesem Dilemma zwischen begrenzter Sägezahnfrequenz und allzu großer Meßzeitspanne bleibt nur die Möglichkeit, diesen systematischen Fehler mit Hilfe einer speziellen Korrekturschaltung zu reduzieren.

Diese Korrekturschaltung besitzt eingangs einen Track—and HoId-Verstärker 131 der mit dem SägeZahnsignal (Diagramm a) gespeist wird. Ein solcher Verstärker zeigt am Ausgang den Spannungsverlauf des Eingangs, solange ein Steuereingang lh nicht erregt ist. Wenn aber ein Steuersignal angelegt wird, dann hält der Ausgang des Verstärkers den Augenblickswert so lange fest, bis das Steuersignal verschwindet. In der Praxis wird ein solcher Verstärker aus einem Integrator mit kleiner Zeitkonstante gebildet, dessen Eingangswiderstand elektronisch mit Hilfe des Steuersignals vom Integrationspunkt des Verstärkers abtrennbar ist.

Das Steuersignal, das.am Eingang lh anliegt,, wird in einem ODER-Tor 15 gebildet, dessen beide Eingänge einerseits mit dem Ausgang des Impulsformers 5 und andererseits mit dem normalen Ausgang des Steuer-Flip-Flops 12 verbunden sind. Am Ausgang des Verstärkers 13 wird also der Augenblickswert des Sägezahns festgehalten, der beim Einschalten des Flip-Flops 12 vorgeherrscht hat. Während der Stop-Perioden läuft der Ausgang dieses Verstärkers dem Sägezahn konform nach, was aber für die Funktion der Anordnung i.a. ohne Bedeutung ist. Wenn jedoch der Startimpuls zufällig gerade in einen Normimpuls (Diagramm c) hineinfällt,

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dann wird nicht der zufällige Zwischenwert der Rücklaufflanke

gespeichert, sondern das Sägezahnminimum konstant festgehalten <■

auf Grund des in das ODER-Tor 15 eingespeisten Ausgangs des In- \

pulsformers 5* · t

Dem erwähnten Verstärker 13 ist ein Komparator 16 nachgeschaltet,

in dem der Ausgang des Verstärkers 13 mit dem Eingang dieses _{

Verstärkers, d.h.. mit dem Sägezahn selbst, verglichen wird. Zu- y sätzlich wird diesem Komparator noch eine' Korrekturkonstante U_

zugeführt, von der später die Rede sein wird. Es ist offenbar, j

daß der Ausgang dieses !Comparators l6 im wesentlichen eine kon- !

stante Größe anzeigt, solange der Startimpuls am Eingang 10 ς

noch nicht erschienen ist. Nur während der Rückstellflanken er- \~~-

gibt der Vergleich einen dreieckförmigen Impuls. Technisch ist \

der Komparator als Summierverstärker ausgebildet. . _;

Dem Summierverstärker 16 ist ein zweiter Track -and Hold-Ver-

stärker 17 nachgeschaltet, dessen Steuereingang wiederum mit (.-

einem ODER-Tor. 18 verbunden ist. Dieses ODER-TOR ist eingangs- 1,

seitig ebenfalls mit dem Ausgang des Impulsformers 5 verbunden! |

der zweite Eingang liegt jedoch am inversen Ausgang des Flip- f.

Flops 12» Der zweite Track -and Bold-Verstärker 17 verfolgt aleo I.

den Ausgang des Summiervefstärkere 16, solange das Flip-Flop 12 V:

eingeschaltet ist (Auf die kleine Abweichung des Ausgangs voo f

Eingang während der Dauer der Rückstellimpulse wird späterhoch (

eingegangen.). Die Impulsform am Auegang dieses Verstärkere 17 ~ ist in Diagramm d) in Figur 2 wiedergegeben* Sobald das Flip-Flop 12 "-- /

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3305/69 d/XlII/lif29 ί'■ -V- - S^ - V

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eingeschaltet wird, gibt der Ausgang des Verstärkers 17 den Augenblickswert der Differenz der Sägezahnspannungen zum Zeitpunkt des Einschaltens des Flip-Flops 12 und dem betrachteten Zeit»» * punkt wieder. Da der Augenblickswert zu Beginn der festen Zeitspanne eine Konstante ist, die rait U bezeichnet B.ei, ist die ■Impulsform des Diagramms d) ebenfalls ein Sägezahn, dessen rücklauf flanke durch einen L-förmigen Verlauf ersetzt ist. Der Vollständigkeit ist nochmals daran zu erinnern, daß der Differenzbetrag um ein Potential U„ hochgelegt ist. __

\ Sobald der Stopimpuls eintrifft, wird der Augenblickswert am - Ausgang des Verstärkers 17 festgehalten,«und ein dem Verstärker λ nachgeschalteter Analog-Digital-Wandler 19 liefert einem Begieter

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\ oder Zähler 20 in dezimaler Form de» Wert der Korrekturgröße* Per Zähler besteht beispielsweise aus zwei Dekade», sft daß log-Digital-Wandler entsprechend einfach ausgebildet «erde?»

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ι In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung lot die : turspannung U_m eine Konstante, die genau dem Sägezahnhub % ent*·

f spricht. Das bedeutet, daß das Vergleichsergebnis zwiechen den ^Λ> Augenblickswerten zu Beginn (U₀) und Ende (U.) der festen Zeit»

a D

^ spanne durch diese Korrekturgröße um 100 Einheiten hoehgei^gt ■*j wird, wenn der Zähler 20 als zweidekadig angenommen wird* ßurch j diese Korrekturgröße würde also bei Identität zwischen U und tf_w

.;"= ein Uebertrag eines Zählimpttlses in den Haupt zähler f gelangen,

■i ^; " " ■■■■ · ,-■■ ^:: ■■=-.

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Dieser Fehler kann dadurch wieder von vornherein beseitigt werden, daß der Hauptzähler 9 mit ".- 1" zu zählen beginnt,- d.h. daß er eine Zählanfangsstellung von "99$ 999" besitzt. .Der "Hilfazähler 20, der von den Stoplmpulsen zurückgestellt wird, besitzt dagegen die Zählanfangsstellung "00".

Es sei nunmehr anhand einiger typischer Fälle die Funktion der erfindungsgemäßen Korrekturschaltung erläutert»

1. U > Ü. und Anti-Koinzidenz zwischen den Norm-Rückstell- und a "^ b

den Steuerimpulsen: In diesem normalsten Betriebsfall wird ü_a -TL gebildet, wobei ein positives Ergebnis entsteht, welches unmittelbar im Zähler 20 erscheint, nachdem die Hauptssählfrkorrektur auf Grund vob ti„ erfolgt iet»

2* ü_a£ -$l und Aän-ifoittisiden« mfieejum Rückstell- md Stetitf-.;----. inpulitn: in diesem T»ll entsteht ein c#ffnWTer Vert: für die -; einfache Differenz■ Tl - UL , der jedoch durch t?^ »u einem ρψ~ sitiven Zählerstand im Hilfsssähler 20 führt, ohne daß Jedoch ein üebertrag in dem Hauptzähler erfolgt. Der Hauptzähler zeigt also eine Einheit weniger an, als er tatsächlich gezählt hat, und die Ergänzung im Hilfsaähler gibt,den Iruchteil wieder, der von dieser Einheit nur zu Recht berückeiqhtijgt werden darf.

t Koinzidenz zwischen Start·* und Norm-Rückstellimpule: Auf Grund de« am Steuereingang I^ des Veb»tSrkerft IJi

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Norm-Kückstellimpuleer hat der Verstärker 13 den.Integrationsendwert festgehalten und nicht einen Zwiechenwert der Rückstellflanke, ü liegt daher ganz unten, ff - U, ist damit sicher negativ, und im HilfsZähler wird ein Wert <^ 100 aufgebaut. Wenn man dafür sorgt, daß der Impulsformer 7 immer in Koinzidenz mit der Bücketellflanke des Normimpulses liegt, dann wird unmittelbar nach dem Eintreffen des Startimpulses bereits ein erster Zählimpuls im Zähler 9 registriert, wodurch sich genau der gewünschte Stand der beiden Zähler einstellt. ·

h. Koinzidenz zwischen dem Stopimpuls und dem Nörm-Rückstellimpuls: Auch hier wird nicht der Zwischenwert der Hückstellflanke im Verstärker 17 festgehalten, sondern der Integrationsendwert. U - TL ist damit sicher positiv und zusammen mit ab

U_ ergibt sich ein Korrekturwert "f 100, der als Uebertrag zum Hauptzähler 9 führt* Dagegen wird jedoch der Impuls, der aus dem letzten Ruckstellimpule innerhalb der Zeitspanne abgeleitet wird, nicht mehr im Hauptzähler 9 registriert, da er erst nach demStopimpuls im Hauptzähler eintrifft. Auf diese Weise entsteht wieder das richtig korrigierte Ergebnis in den beiden Zählern.

5· Koinzidenz von Start- und Stopimpuls mit Diorm-Bückstellimpulsen: Hier iet die Differenz (σ_& - t^) Null? ITj korrigiert die ne-

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- ■ " ί

gative Anfangsstellung dee Zählers 9; «ur Registrierung im /

Haupt zähler 9 gelangt zwar der Zählimpuls auf Grund des mit l_ dem Startimpuls zusammenfallenden Bückstellimpulses, aber nicht

der> Zählimpuls auf Grund des mit dem Stopimpuls zusammenfal- i

lenden Zählimpulses,· der Hilfszähler zeigt 00 ah. ;

Schließlich sei noch erwähnt, daß sich die Genauigkeit dieser i Anordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens noch dadurch ver-

^ bessern läßt, daß man die Korrekturgröße TL, zur Kompensation von ^!

Schwankungen des Wertes ü variabel gestaltet * Schwankungen von !.

tJ treten besonders bei großem IS deBhalb auf, weil während der '"■

Dauer der Eückstellung des Integrators (l, 2, 3) weiter die Größe · ΐ

U an diesem anliegt* Der RUckstelleffekt auf Grund des Norm- ;

impulses ist also mehr oder weniger vollkommen. Für die Funktion ; des HauptZählers 9 bedeutet diese Abweichung jedoch keinen Fehler,

da diese Abweichung zu einer Erhöhung der Sägezahnfrequenz auf \

Grund der ununterbrochenen Integration während der ganzen Zeit- I

fe spanne führt. Für die Korrekturaoordnung bedeutet diese Abwei- [

chung zwischen U und ü„ aben daß die maximale Differenz zwischen |

U_a und U^ nicht mehr 100 Zählschritten im Hilfszähler 20 ent- |

spricht. Die Differenzbildung ergibt also" einen zu kleinen Kor- i*-""

rekturwert, den man durch entsprechendes Vergrößern von U wieder

reduzieren kann. Eine einfache Korrekturfunktion wäre beispiels- r

weise HJ^ = K - U₃, wobei K eine Konstante ist.

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Wenngleich die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert wurde, so ist die Erfindung keineswegs an alle in diesem Zusammenhang erläuterten Details gebunden. Beispielsweise können die beiden Track -and Bold-Verstärker auch parallel zueinander angeordnet sein und beide direkt aus dem Sägezahn gespeist werden, während der Vergleich erst dann anschließend erfolgt. Eine andere Modifikation bestünde darin, auf das Hinzufügen TL₁ zu verzichten und dafür den Haupt zähler in die Normal-Anfangsstellung zurückzustellen* Hierbei müßten jedoch die Zähler 9 und 20 sowohl für Vorwärts- als auch für Rückwärtszählen eingerichtet sein, da auch negative Korrekturen auftreten können. Schließlich ist die Erfindung auch nicht auf Digital-Voltmeter beschränkt! sondern sie laßt sich ganz allgemein auf die Frequenzmessung eines periodischen Sägezahneignale anwenden, ganz gleich, wie dieses ßäg6zahnsignalgöb|ldefe word*» ist und welchem Zweck es dient.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   erfahren zur Frequenzmessung eines periodischen Sägezahnsignals mit Hilfe"-eines Zählers, der während einer festen Zeitspanne die Sägezahnimpulse summiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Augenblickswert des Signals zu Beginn der Zeitspanne gespeichert wird und daß naqh Ende der festen Zeitspanne die Augenblickswerte des Sägezahns zu Beginn und am Ende der Spanne miteinander verglichen werden, worauf das Vergleichsergebnis digitalisiert zur Korrektur W und Ergänzung des Zählergebnisses verwendet wird«
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn»eichnet, daß das Ve-r* gleichaergebnis nur während der flacheren. Flanke des Sägezahns direkt verwendet wird, und daß Augenblickswerte, die während der steilere« Sägeaahnflänke aufgenommen werden» durch Festwerte ersetzt werden, die dem Sägezahnmajtimum bew. «minimum entsprechen.
3. 3. Anordnungssur Durchführung des ITeriahren« »ach einem der yo?»e|ehejiden Ansprüche, mit einem Zähler, dt?-, während einer festen

   ^ Zeitepanne die ÖägezÄhnimpulse summiert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrekturschaltung mit fcwei Track -and Hold-Värstärkern

   "■"-■--+■■■--- - - . - .--■..-" (13, 1?) und einem Komparator (l6) vorgesehen ist, die die Sage"-"-

   zahnaugenblicksspannungen im Moment des Beginns und des Endes der festen Zeitspanne miteinander vergleicht, worauf das Ver-» gleichsergebnis in einem Analog-Digital-ltfandler (19) geringtr Güte digilÄlifliert wird, und daJjl Mittel (15, 18) zutttBreat» des ·;' Vergleichsergjebnieeee durch einen Feetweft vorgäiaehea sindi iior· lange dtr SlgVsEahn die steilere ««iner boiden Fianktitt

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