-
Abtastsystem mit einer Verzögerungsleitung Die Erfindung bezieht sich
auf ein Abtastsystem mit einer Verzögerungsleitung für einen abzutastenden Vorgang
und mit mehreren daran angeordneten Abtaster, insbesondere für die Abtastung einmaliger
Vorgänge.
-
In der deutschen Offenlegungsschrift 1 903 354, Klasse 21e 13/32 ist
ein Verfahren zur Gewinnung aufzeichnungsfähiger Daten von einmaligen Vorgängen
beschrieben, bei dem ein Vorgang über eine vielfach angezapfte Verzögerungsleitung
geführt wird und gleichzeitig ein von dem Vorgang getriggertes Abtastsignal mit
einer von der AusbreitungsgeschvJindigkeit des Vorganges auf der Verzögerungsleitung
verschiedenen Geschwindigkeit die Anzapfstellen nacheinander abtastet. Als Einheiten,
welche die Abtastimpulse den längs der Verzögerungsleitung verteilten Abtaststellen
in zeitlicher Aufeinanderfolge zuführen, werden in der Offenlegungsschrift Zählketten
bzw. eine zweite Verzögerungsleitung vorgeschlagen.
-
Es ist wünschenswert, den Zeitmaßstab der Abtastung variieren zu können,
um beispielsweise die Auflösung des abzutastenden Vorgangs, dessen Dauer anpassen
zu können.
-
Auch ist es wünschenswert, in einem Abtastsystem die Richtung der
Abtastung ändern zu können, d.h., daß die Abtastimpulse die gleiche oder eine entgegengesetzte
Ausbreitungsrichtung bezüglich des abzutastenden Vorganges haben. Auch soll es ermöglicht
werden, den abzutastenden Vorgang entweder von seiner Anstiegsflanke oder von seiner
Rückflanke her abzutasten oder ihn an mehreren Stellen gleichzeitig erfassen zu
können.
-
Diese und andere Aufgaben sind bei einem Abtastsystem mit einer Verzögerungsleitung
für einen abzutastenden Vorgang und mit mehreren daran angeordneten Abtastern, insbesondere
für die Abtastung einmaliger Vorgänge, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur
Variation des Zeitmaßstabes (Abtastfrequenz) die Abtaster betätigende Ab;-tastimpulse
von hinsichtlich ihrer Vergleichsspannu-ng einstellbaren Spannungsvergleichern ausgelöst
sind, deren Eingänge parallel mit dem Ausgang eines vom abzutastenden Vorgang getriggerten
Sägezahngenerators mit einstellbarer Anstiegszeit seiner Ausgangsspannung verbunden
sind.
-
Mit Hilfe der einstellbaren Anstiegszeit der Ausgangsspannung des
Sägezahngenerators, unter welchen Begriff auch die Dauer eines abfallenden Sägezahns
fallen soll, ist es möglich, den Zeitmaßstab und die Abtastrichtung auf sehr einfache
Weise beliebig einstellen zu können. Eine weitere Änderungsmöglichkeit der zeitlichen
Folge der Abtastimpulse ist durch die einstellbaren Ansprechniveaus der Spannungsvergleicher
gegeben.
-
Anstelle eines Sägezahngenerators kann auch ein Treppenimpulsgenerator
oder dergleichen verwendet werden.
-
Zwischen die Spannungsvergleicher und von deren Ausgangsspannungen
getriggerte Impulegeneratoren für die Abtastimpulse können zusätzliche Zeitglieder
eingefügt sein, die besonders bei einer Mehrfachabtastung der einzelnen Abtaststellen
an der Verzögerungsleitung nützlich sind. Diese Zeitglieder können auch als Verzögerungsleitungen
ausgebildet sein.
-
Zweckmäßig wird der Säagezahngenerator so ausgebildet, daß der eigentlichen
Sägezahnflanke ein steiler Sprung als eine Art SQckel vorausgeht. Die Anstiegszeit
und Phase dieses Sprungs bleibt bei Änderung der übrigen Sägezahnflanke konstant.
Es sind Schaltungen bekannt, mit Hilfe
deren man eine derartige
Spannungsform direkt erzeugen kann. Der steile Anfangssprung dient dazu, den ersten
Äbtastimpuls bei einer Änderung der Anstiegszeit der eigentlichen Sägezahnflanke
zeitlich festzuhalten.
-
Es ist weiterhin zweckmäßig, Mittel dafür vorzusehen, um den ganzen
Sägezahnimpuls unabhängig von der Variation des Zeitmaßstabes hin- und herschieben
zu können.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor,.daß der einzelne Abtaster
aus der Serienschaltung einer mit einer ihrer Elektroden an der Verzögerungsleitung
für den abzutastenden Vorgang angeschlossene Diode mit der Parallelkombination mehrerer
mit nachgeschalteten Speicherkondensatoren in Serie liegenden weiteren Dioden besteht.
Jede der parallel geschalteten Dioden ist dabei zweckmäßig mit einem Abtastimpulskanal
verbunden, der aus der Serienanordnung eines der genannten Spannungsvergleicher,
eines Zeitgliedes und eines Abtastimpulsgenerators besteht. Der Abtastimpulsgenerator
wird dabei von der Ausgangs spannung des Spannungsvergleichers getriggert. Die Abtastimpulse
werden den Dioden über Speicherkondensatoren für. die abgetwasteten-Amplitudenwerte
zugeführt. Die gespeicherten Amplitudenwerte des abgetasteten Vorgangs können jeweils
zwischen den parallel geschalteten Dioden und den Speicherkondensatoren abgenommen
werden.
-
Die Erfindung wird anhand von sieben Figuren näher erläutert.
-
Figur 1 stellt ein für die Ableitung von für das. Verständnis der
Erfindung wichtigen Formeln herangezogenes Modell dar.
-
Die Figuren 2 und 3 werden ebenfalls für die Ableitung von Bezeichnungen
benötigt und zeigen die Anordnung von einzelnen bzw. Mehrfachabtastern an der Verzögerungsleitung.
-
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als. Blockschaltbild
dargestellt.
-
Die Figuren 5, 6 und 7 betreffen den zweckmäßigen Aufbau von Mehrfachabtastern
bzw. ein Steuerprogramm zu deren Steuerung.
-
In dem Modell nach Figur 1 ist eine für die Samplingtechnik geeignete
Abtasteinrichtung gezeigt: Ein Signal uS setzt beim Passieren eines Verzweigungspunktes
V im Zuge einer Verzögerungsleitung Ltg einen Triggerkreis Tg in Gang, der im allgemeinsten
Falle -separate, unabhängige Triggersignale uTi für Impulsgeber ui (i=1 ... n) liefert.
Bs ist zweckmäßig, die gesamte folgende Zeitbetrachtung einheitlich auf den Zeitpunkt
dieser Triggerauslösung durch das Signal uS zu beziehen, er ist daher als t = 0
definiert. Von da ab verstreicht eine gewisse Zeit, bis Triggerimpulse erzeugt sind
und weiter, bis durch diese Abtastimpulse ausgelöst werden. Diese Zeit wird riggerverzögerung
genannt und aus praktischen Erwägungen, in einen allen Stufen gemeinsamen. konstanten
Anteil Tvo sowie einen veränderlichen, von Stufe zu Stufe im allgemeinen unterschiedlichen
Anteil Tvi zerlegen. Das Entsprechende wiederholt sich für die Abtastimpulse: auch
hier vergeht eine endliche Zeit, die Impulsverzögerung genannt wird, von der Erzeugung
bis zum Erreichen der Leitung. Auch die Impulsverzögerungen werden in einen festen,
allen Impulswegen gemeinsamen Anteil Tpo und einen veränderlichen, stufenabhängigen
Anteil Tpi zerlegt. Diese vier Verzögerungsanteile sind nach Figur 1 in vier Elementen
konzentriert gedacht; alle übrigen dort auftretenden Strecken (ausgenommen natürlich
die signalführende Leitung) und die Baugruppen (2riggerkreis, Impulsgeber, Speicher,
Abtaster) sind verzögerungsfrei angenommen.
-
Die Verzögerungszeiten praktischer Schaltungen werden im allgemeinen
sehr unterschiedlicher Natur sein. Die im Modell nach Figur 1 festen Anteile Tvo
und Tpo berücksichtigen hauptsächlich solche Anteile, die - durch Bauelemente (Dioden,
Transistoren usw.) oder aufbaubedingt (Netzwerk-
Topologie) - unvermeidlich
sind, ferner konstante einzufügende Ausgleichssverzögerungen; während die veränderlichen
Anteile Tvi, Tpi mehr oder weniger frei wählbar angenommen werden können, um damit
die Verzögerungszeiten in gewünschter Weise zu beeinflussen; technisch bieten sich
dafür, mit Rücksicht auf die hohen Geschwindigkeiten der Vorgänge, vorwiegend Leitungen
an. Die Summe aller Verzögerungen, beginnend mit der Triggerauslösung (t=0) bestimmt
die Zeitpunkte ti der Abtastungen an den Leistungsstellen xi: ti=Tvo+Tvi+Tpo+Tpi
(4) (i=1, 2, ..., m).
-
Erst zum Zeitpunkt t1 der ersten Abtastung darf der Signalpunkt P1
an seinem Abtaster At1 stehen, weshalb eine Vorversögerung für das Signal, realisiert
durch die Leitungslänge. L zwischen den Punkten V und x1 in Figur 1, erforderlich
ist.
-
Der Zeitabstand #t der Signalpunkte hängt aber nicht nur von diesen
Verzögerungen, sondern außerdem von der Signallaufzeit zwischen den Abtastern, d.h.
von #x ab. In Figur 1 ist das Signal so eingezeichnet, wie es im Zeitpunkt ti der
ersten Abtastung steht: Signalpunkt P1 befindet sich am Abtaster At1. Die Koordinaten
g und x sind so eingeführt, daß dort - in diesem Zeitpunkt - die Nullpunkte zusammenfallen
(x = # = O). Ein willkürlich herausgegriffener Punkt Pn steht dann noch um die elektrische
Lange 1 von seinem Abtaster Atn entfernt, die sich mittels des Abstandes der Punkte
(P1Pn) und der Abtaster(At1Atn) berechnen läßt. Alle diese Größen sind in Figur
1 eingezeichnet. Es ergibt sich: 1 = (n - 1) #x - (n - 1) ## * ( 5)
Der
Zeitpunkt tn der Abtastung von Pn ergibt sich aus der Bedingung: tn =t1 + v15 (6)
Die Zeiten t1 und tn sind jedoch bereits durch Gleichung (4) für i - 1 bzw. i =
n festgelegt. Führt man beide, sowie 1 nach Gleichung (5) in die Gleichung (6) ein,
so folgt nach kurzer Umformung ein Ausdruck für den Abstand ## der Signalpunkte:
oder, unter Benutzung von zu = - Vs . #t, wobei Vs die Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Signals u auf der Leitung Ltg, die gesuchte Beziehung für #t:
Für einen beliebigen Punkt P. ist in den Gleichungen (7) und (8) einfach n durch
i zu ersetzen:
Die allen Stufen gemeinsamen, gleich großen Verzögerungen Tvo und Tpo sind, wie
zu erwarten war, herausgefallen. Sie müssen lediglich bei der Bemessung der Vorverzögerung
(Länge L in Figur 1 berücksichtigt werden. Entscheidend für bt sind dagegen, wie
Gleichung (10) lehrt, die Differenzen der Verzögerungszeiten der einzelnen Stufen.
Bei beliebigen Werten Tvi und Tpi ist #t nach Gleichung (10) vom Index i der Stufe
abhängig. Wählt man aber Verzögerungen, die gemäß
Tvi-Tv1=(i-1)Tv
(11) und Tpi-Tp1=(i-1)Tp (12) von Stufe zu Stufe um gleiche Stücke Tv bzw. Tp zu-
oder abnehmen, so fällt die Abhängigkeit von i fort und die Gleichungen (9) und
(10) vereinfachen sich erheblich: = - (Tv + Tp)Vs; (9a) #x+(Tv+Tp). (10a) Vs Alle
abgeleiteten Gleichungen lassen sich auch für eine auf einen Ort konzentrierte Abtaststruktur
gebrauchen, für die lediglich #x = O zu setzen ist. In einem Abtastsystem, in dem
verteilte und auf- einen Ort konzentrierte Abtaster kombiniert vorkommen, erfordert
die Schnittstelle zwischen beiden besondere Aufmerksamkeit, da.ein Wechsel von der
einen auf die andere Struktur im allgemeinen einen Verzögerungsausgleich in den
Trigger- oder Impulswegen erforderlich macht, der jetzt berechnet werden soll.
-
Die Gesamtzahl der Einzelabtaster sei gleich m, d-ie sich auf n Leitungsstellen
x1 ... Xn verteilen, so daß auf jede Stelle p = m/n Abtaster konzentriert sind.
In Figur 1 wäre die Abtasterkette also nach dem Abtaster Atn abzubrechen und der
nächste Abtaster Atn+1 nicht an der nächstfolgenden Stelle xn+1, sondern zusammen
mit dem ersten Abtaster At1, an Stelle x1 zu denken. Das Entsprechende gilt für
alle übrigen Abtaster, die auf Atn+1 folgen (Atn+2 käme an die Stelle x2 usw.).
-
Figur 2 und 3 veranschaulichen den Sachverhalt für das erste vom Strukturwechsel
betroffene Abtasterpaar At1 und Atn+1. Zu einem Zeitpunkt to stehe der mit Atn+1
abzutastende Signalpunkt Pn+i noch um-die Strecke lo vom Ort x1 des ersten Abtasters
entfernt, hätte also im Falle voneinander
entfernter Abtaster,
Figur 2, bis zu seiner Abtastung am Ort xn+1 noch die Strecke 1o+n#x zurückzulegen.
Für den Zeitpunkt zn+1 seiner Abtastung ergäbe sich daher:
Im Falle örtlich konzentrierter Abtaster, Figur 3, ergibt sich der entsprechende
frühere Zeitpunkt
Wird die erste von der zweiten Gleichung subtrahiert, so ergibt sich:
Der Abtaster Atn+1 muß also jetzt, verglichen mit der räumlich verteilten Anordnung,
um n#x/vs früher getastet werden, wenn er den Signalpunkt Pn+1 wieder richtig erfassen
soll.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt als Blockschaltbild Figur
4. Bauelemente gleicher Funktion wie Bauelemente des Modells nach Figur 1 sind mit
gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Außerdem wurden der Einfachheit halber als
Bezugszeichen für zeitbestimmende Baueinheiten die schon im Modell nach Figur 1
und auch in den abgeleiteten Formeln benutzten Zeitbezeichnungen gewählt. Aus einer
Signalquelle Sq wird der abzutastende Vorgang US einer Verzögerungsleitung Ltg zugeführt,
die mit einem Abschlußwiderstand 202 abgeschlossen ist. Die Verzögerungsleitung
besteht aus zwei Abschnitten, deren erster -vor einem Trennverstärker Tr liegt.
Im zweiten Abschnitt zwischen Trennverstärker und Abschlußwiderstand der Verzögerungsleitung
Ltg liegen verteilt fünf Abtaststellen x1...x5, deren gegenseitiger Abstand mit
#x bezeichnet ist. An den Abtaststellen sind Mehrfachabtaster angeschlossen, im
Beispiel
handelt es sich um Dreifachabtaster. Es sind Mehrfachabtaster
At1 ...At5 angeschlossen, wobei jeweils drei Abtaster zusammengefaßt sind. Die einzelnen
Abtaster werden über Zeitglieder Tpo von Abtastimpulsen u1...u15 gesteuert, die
von Abtastimpulsgeneratoren Ig geliefert werden. Eingangsklemmen der Impulsgeneratoren
sind über Zeitglieder TvoI...TvoIII mit Spannungsvergleichern gv1 v15 verbunden,
deren Eingänge alle parallel am Ausgang eines Sägezahngenerators Sg liegen. Der
Sägezahngenerator wird durch einen von einem Abzweigverstärker V aus dem abzutastenden
Vorgang us gewonnenen Triggerimpuls ausgelöst.
-
Die schon im allgemeinen Modell der Figur 1 vorkommenden Verzögerungsanteile
werden beim Ausführungsbeispiel im einzelnen wie folgt dimensioniert. Um ungleiche
Verzerrungen der Abtastimpulse zu vermeiden, sind die stufenabhängigen Anteile Gpi
der Impulsverzögerungen gleich Null gewählt worden. Der konstante Anteil Tpo ist
dagegen nicht vermeidbar, er soll für alle 15 Stufen gleich groß sein, was sich
durch gleichen Aufbau erreichen läßt. Die Änderung des Zeitmaßstabes wird mittels
des Verzögerungsanteiles Tvi im Triggerweg, der durch Gleichung (13) bestimmte Verzögerungsausgleich
beim Übergang von der verteilten auf die örtlich konzentrierte Abtasterstruktur
mittels Tvo durchgefqhrt. Das gesamte, für die Triggerung der einzelnen Abtaster
erforderliche Impul-sprogramm wird folgendermaßen realisiert: Der primäre, vom Signal
abgeleitete Triggerimpuls startet einen zeitlinearen Sägezahnimpuls, den man als
"Muttertrigger" auffassen kann. Dieser steuert 15 Spannungsvergleicher parallel
an, in denen die Einzeltrigger uTi gebildet werden (Amplituden-Zeit-Konversion).
-
Die Ansprecheniveaus dieser Komparatoren - die also die Größen Tvi
realisieren - sind in gleichen Abständen gestuft, womit die nach Gleichung (11)
notwendigen gleichen Zeitabstände der Einzeltrigger erzielt werden Ändert man die
Anstiegsgeschwindigkeit des Sägezahns, so erreicht man die angestrebte elektronische
Variation des Zeitmaßstabes
mittels der Größe Tv , die der Anstiegsgeschwindigkeit
reziprok ist. Die Scharen der Triggerimpulse UTi sowie der aus diesen abgeleiteten
Abtastimpulse u. fließen dabei gleichsam "fächerartige" auseinander, weshalb im
folgenden die Bezeichnung "impulsfächer" gewählt wird.
-
Zunächst wird der erforderliche Verzögerungsausgleich mittels der
Elemente Tvo bestimmt. Da diese jetzt vom Index i der Stufen abhängig werden, soll
gelten Tvo = Tvo(i). Für die Abtaster At1 ... At5 in Figur 3 sei Tvo(i) = TvoI.
-
Alle übrigen Abtaster sind an denselben Leitungsstellen x1...x5 wie
At1...At5 angeordnet; d.h. die Abtaster At6 ... At10 sind, verglichen mit der einheitlichen
Struktur des Modells nach Figur 1, um 5#x nach links versetzt worden, die Abtaster
At11 ... At15 sogar um 10#x. Nach Gleichung (13) betragen die Ausgleichsverzögerungen
somit -5#x/Vs bzw. -10#x/Vs. Zusammengefaßt ist für i = 1...5: für i = 6 ... 10:
für i = 11 ... 15:
Nachdem mittels Tvo (i) die Äquivalenz des Abtastsystems mit dem Modell nach Figur
1 hergestellt ist, können die 15 Triggerverzögerungen TVi wie bei diesem einheitlich
nach Gleichung (11) gestaltet werden. Es sollen zwei Lösungen für Gleichung (11)
angegeben werden, die von besonderem technischen Interesse sind; diese ergeben sich
durch spezielle Wahl von TV1 1 wie folgt: Lösung 1: TV1 = const., damit wird aus
Gleichung (11): TVi=TV1+(i-1)TV (11a) Lösung 2: TV1=(1-m)TV+TV15; TV15=const. mit
m=imax (s.o.); damit wird aus Gleichung (11): TVi=TV15+(I-m)TV (11b)
Das
Abtastsystem ist damit in allen Elementen festgelegt.
-
Zweckmäßig werden bei der Lösung 1 die Ansprechniveaus der Komparatoren
des Abtastsystem, in denen Tvi @ gebildet werden soll, gleicbmäßig gestuft, so daß
der zeitlineare Sägezahnimpuls in den gewünschten gleichen Zeitabständen TV zur
Auslösung der einzelnen Triggerimpulse ITi führt.
-
Eine Ausnahme davon macht nur uT1, der bei Änderung der Steilheit
des Sägezahnes liegen bleiben muß (t1 = const.).
-
Dem Sägezahn geht deshalb - als eine Art "Sockel" -ein steiler Sprung
voraus, dessen Anstiegszeit und Phase bei Änderung der eigentlichen Sägezahnflanke
starr bleiben sollen. Es gibt Schaltungen, mit denen man den Sägezahaimpuls in dieser
Form direkt erzeugen kann. Dieselbe Wirkung wie mit dem steilen Anfangs sprung läßt
sich aber auch mit einem beliebigen, unabhängig vom Sägezahn erzeugten Impuls erreichen.
Der Bereich negativer Werte von Tv ergibt sich zwanglos dadurch, daß die Anstiegsflanke
des Sägezahnes über ihre senkrechte Lage (TV = 0) hinaus weiter nach links gedreht
wird. Sie wird dann zu einer Abfallflanke.
-
In vielen Fällen würde ein Meßsystem weiter an Flexibilität gewinnen,
wenn sich der ganze Sägezahnimpuls - und damit die Impulsfächer - unabhängig von
der Variation des Zeitmaßstabes hin- und herschieben ließe. Dies kann z.B. zweckmäßig
mittels elektronischer änderung der Größe TV1 vorgenommen werden.
-
In Figur 5 ist ein einzelner Mehrfachabtaster als Blockschaltbild
dargestellt. Er besteht aus einem mit einem Abtastabgriff xi auf der Leitung Ltg
unmittelbar verbundenem Abtastschalter Ati, an den parallel mehrere, im Beispiel
3 weitere Abtaatschalter Atik angeschlossen sind.
-
Jedem dieser weiteren Abtastschalter ist ein Speicherkondensator Spik
zugeordnet. Bei dieser Anordnung ist es nicht notwendig, aus den Speichern während
der Abtastung
schon abgegriffene Werte umzuspeichern. Außerdem
wird eine Mehrfachabtastung erreicht, ohne daß sich die Anzahl der unmittelbar mit
der Verzögerungsleitung Ltg verbundenen Abtastern erhöht.
-
Aus dem Steuerprogramm, Figur 6, kann die Wirkungsweise unmittelbar
abgelesen werden. Gleichzeitig leiten jeweils der gemeinsame Abtaster Ati und einer
der Abtaster Atik, so daß jede Signalprobe sofort in den zugehörigen Endspeicher
Spik gelangt. Die Torzeiten TG1 bzw. TG2 der Abtaster, siehe Figur 6, dürfen unterschiedlich
lang sein; es muß nur ausreichend lange Koinzidenz bestehen.
-
Die Realisierung der neuen Anordnung mit herkömmlichen Schaltungen,
das sind in erster Linie Dioden-Abtastbrücken, wäre jedoch relativ aufwendig. Hingegen
ergibt sich mit dem Eindiodengatter eine einfache, Lösung. Man betrachte dazu Figur
7: Sie stellt im wesentlichen das komplette Schaltbild dar; man kommt also mit extrem
wenigen Bauteilen aus. Praktisch wird meist nur der langsamere Teil etwas abzuwandeln
sein. Dies betrifft die Vorspannungszuführung (UV1, UV2) sowie die Auskopplung der
Probenspannungen (Speicherausgänge ik). Die gestrichelten Kästchen in Figur 7 korrespondieren
mit den entsprechenden Kästchen des Blockschaltbildes (Figur 5). Die Impulsansteuerung
ist denkbar einfach: unipolare Nadelimpulse Uik steuern durch Speicherkondensatoren
CS hindurch Abtastdioden kurzzeitig auf; gleichzeitig jeweils. eine gemeinsame Diode
D1 und eine der Dioden D2.
-
Die Torzeiten können mit den Sperrvorspannungen UV1 und UV2 beeinflußt
werden, doch ist stets TG1< TG2, siehe Figur 6.
-
Außer der extremen Einfachheit hat die Schaltung, verglichen mit anderen
denkbaren Realisierungen (etwa mit Diodenbrücken), den Vorteil, sich sehr gut in
Ätztechnik ausführen zu lassen. Dasselbe gilt für eine etwaige Mikrominiaturisierung,
die fiir Grenzfrequenzen ab etwa 1 GHz interessant wird. Die Schaltung kann auch
mit umgekehrt gepolten Dioden betrieben werden.
-
11 Patentansprüche 1 7 Figuren