DE2042163A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen zwei von einer einzigen Quelle stammenden Signalen der gleichen Frequenz - Google Patents

Description

Carrol & Reed, Ltd., Scarborough, Ontario/Canada

betr 'fend
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bestimmung der

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Phasenverschiebung zwischen zwei von einer einzigen

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Quelle stammenden Signalen der gleichen Frequenz

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung, insbesondere Schaltungsanordnung, zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen gleicher Frequenz, die von einer einzigen gemeinsamen Quelle abgeleitet sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung, durch die es möglich ist, die Phasenverschiebung mit sehr hohem Auflösungsgrad zu bestimmen· Und damit im Zusammenhang bezieht sich die Erfindung schließlich noch auf ein elektro-optisches Verfahren und eine Einrichtung zur Messung des Abstandes zwischen zwei voneinander entfernten Punkten.

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Es soll gleich zu Anfang darauf hingewiesen werden, daß der Erfindungsgedanke zur Bestimmung einer Phasenverschiebung im Zusammenhang mit einem elektro-optisehen Verfahren zur Distanzmessung und einer dafür geeigneten Einrichtung beschrieben wird, die einen speziellen Gesichtspunkt der Erfindung betreffen. Jedoch wird es im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich, daß die Erfindung, soweit der Hauptgedanke der Bestimmung der Phasenverschiebung betrachtet wird, einen wesentlich weiteren Anwendungsbereich umfaßt, so daß die spezielle Ausführungsform in Verbindung mit einem elektro—optischen Verfahren zur Distanzmessung mit einer dafür geeigneten Vorrichtung lediglich als Ausführungsbeispiel zu verstehen ist.

Elektro-optische Meßeinrichtungen beruhen auf dem physikalischen Grundprinzip, daß die Verzögerungszeit zwischen der Ausstrahlung und dem Empfang eines amplitudenniodulierten optischen bzw. elektromagnetischen Strahls eine Phasendifferenz zwischen dem zurückkehrenden bzw. empfangenen Strahl und dem ausgesendeten Strahl mit sich bringt. Die Frequenzen des ausgesandten und empfangenen Strahls werden zum Zwecke eines Phasenvergleichs mit einer oder zwei anderen Bezugsfrequenzen gemischt, um Niederfrequenz-Komponenten mit der gleichen Phasenbeziehung zu erzeugen, wie sie die ursprünglich modulierten Frequenz-Komponenten aufweisen. Die Phasenmessung wird dann an diesen beiden Niederfrequenz-Komponenten entweder nach einem analogen oder elektromechanischen Verfahren vorgenommen.

Die bei solchen Einrichtungen übliche Verwendung von Vielfachfrequenzen erfordert nicht nur einen, sondern eine Mehrzahl von Oszillatoren, so daß unter Umständen beträchtliche Frequenzdrift und sonstige Genauigkeitsprobleme auftreten, so daß in einigen Fällen pihasenstarre Abstimmkreise erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, die den bekannten Schaltungsan ordnungen und Einrichtungen dieser Art anhaftenden Nachteile zu beseitigen, wobei insbesondere die Verwendung nur eines einzigen Oszillators angestrebt wird.

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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Phasenverschiebung und damit zur Messung eines Abstandes auf elektrooptischen Wege und bei einer dafür geeigneten Einrichtung wird nur ein einziger stabiler Oszillator als Bezugsnormal verwendet, und die Phasenvergleiche erfolgen digital, so daß eine raschere und genauere Ablesung ermöglicht ist. Gemäß der Erfindung wird die Phasenverschiebung zwischen zwei auf der gleichen Frequenz F. liegenden Signale dadurch erreicht, daß diese Signale von einer einzigen gemeinsamen Quelle abgeleitet werden und aus diesen beiden Signalen ein drittes Signal gewonnen wird, das im Abstand aufeinander folgende erste Impulse enthält, deren Dauer proportional zur Phasenverschiebung ist, und daß von dieser einzigen gemeinsamen Quelle ein viertes Signal der Frequenz Fp abgeleitet wird, wobei die Frequenz Fp größer ist als F^, und daß aus dem dritten und vierten Signal ein fünftes Signal erzeugt wird, das im Abstand aufeinander folgende Impulsfolgen gleicher Dauer wie die erstgenannten Impulse aufweist und zweite Impulse des vierten Signals enthält und daß die Anzahl der zweiten Impulse, die eine der Impulsfolgen bilden, bestimmt wird.

Eine zur Durchführung des soweit kurz erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Phasenverschiebung geeigneten elektro-optischen Distanzmeßeinrichtung kann eine Sendereinheit zur Aussendung optischer bzw. elektromagnetischer Signale enthalten, in der von einem Referenzsteueroszillator abgeleitete Meßsignale einem optischen Träger aufmoduliert und zu einem Bezugspunkt übertragen werden, wobei ein geeigneter Reflektor am Reflexionspunkt vorgesehen ist, um den optischen Strahl zum Sendepunkt zurückzuwerfen, mit einem optischen Empfänger zur Demodulation des empfangenen optischen Strahls und zur Rückgewinnung eines Signals mit einer Grundfrequenz, die einen Phasenbezug zu dem durch den Sender ausgestrahlten Meßsignal aufweist, mit einem Satz von Mischern oder Signalkombinationseinheiten, in denen die Testsignale oder im folgenden als"Proben" bezeichneten Abfragesignale des Meßsignals und des detnodulierten Signals mit anderen vom Referenzsteueroszillator abgeleiteten Signalen gemischt werden, um zwei Signale identischer Frequenz zu erzeugen, mit einem digitalen Phasenkompara-

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tor zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das Impulse enthält, deren Breite proportional zur Phasenverschiebung zwischen den letztgenannten beiden Signalen ist, und mitwenigstens einer Tor- und Zählschaltung, um die Anzahl der Impulse eines weiteren Signals zu zählen, die während eines Impulses des genannten Aüsgangssignals auftreten, wobei dieses weitere Signal eine Frequenz aufweist, die größer ist als die Frequenz der beiden Signale, und das ebenfalls von dem Referenzsteueroszillator ab*- geleitet ist.-

Gemäß einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen zwei von einer einzigen gemeinsamen Quelle, jedoch über verschiedene Wege übertragenen Signalen wird ein Oszillator vorgesehen, der ein Ausgangssignal der Frequenz F. erzeugt. Eine Probe eines von dem Ausgangssignal abgeleiteten Signals mit der Frequenz Fp (F₂ kann gleich oder verschieden zu F. sein) wird über ein Medium übertragen und wieder empfangen. Ein Signal mit einer von Fp verschiedenen Frequenz F^ wird aus dem Ausgangssignal abgeleitet. Das Signal der Frequenz F^ wird mit dem empfangenen Signal und ebenso mit einer Probe des Signals der Frequenz Fp kombiniert, das über einen vom empfangenen Signal verschiedenen Weg umgesetzt wird, um so zwei Signale zu erzeugen, die jeweils eine Frequenz F₄ aufweisen. Die beiden letztgenannten Signale und ein weiteres aus dem Ausgangssignal gewonnenes Signal mit einer über F₄ liegenden Frequenz werden so behandelt, daß ein Signal in Impulsform erzeugt wird, wobei die Impulsbreiten proportional zur Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen der Frequenz F₄ sind und wobei die Impulse durch eine Impulsfolge des Signals der Frequenz F₅ dargestellt werden. Die Anzahl der in einer Impulsfolge enthaltenen Impulse wird bestimmt und ist proportional zur Phasenverschiebung zwischen den erwähnten beiden Signalen der Frequenz F₂, wobei diese Signale selbst die Frequenz F₄ aufweisen.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten sind an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

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Fig. 1 das Blockschaltbild einer elektro-optischen Meßeinrichtung gemäß der Erfindung und insbesondere
eine Blockschaltbildanordnung zur Bestimmung einer
Phasendifferenz gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 bis 5 zeigen Signalformen an verschiedenen Punkten
der Anordnung gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 wird ein Oszillator oder Taktgeber 10 zur Synthetisierung aller in dem System erforderlichen Signale außer
dem optischen Träger verwendet. Dieser Oszillator ist die einzige gemeinsame Quelle, die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen erwähnt ist. Der Oszillator 10, am besten stabilisiert, ₍ sollte vorzugsweise kompensiert sein, um eine geringe Drift
über den gesamten Betriebstemperaturbereich der Einrichtung
und für eine lange Einsatzzeit zu gewährleisten. Beispielsweise kann ein Quarzoszillator verwendet sein. Aus Darstellungsgründen sei angenommen, daß der Oszillator ein Signal der Frequenz 10 MHz abgibt, gewünschtenfalls können jedoch auch andere Frequenzen vorgesehen sein.

In einigen Anwendungsfällen kann das Ausgangssignal des Oszillators 10 unmittelbar durch ein Medium umgesetzt und dann empfangen sein, oder es kann unmittelbar vor der Übertragung auf
einen Träger aufmoduliert werden. Dazu alternativ kann auch vor der erwähnten Behandlung eine Frequenzvervielfachung erfolgen. Im vorliegenden Fall' wird das Ausgangssignal jedoch,beispielsweise um den Faktor 20, durch einen üblichen Teiler 11, beispielsweise einen Flip-Flop-Frequenzteiler, heruntergeteilt.
Das 500 kHz-Rechteckwellen-Ausgangssignal des Teilers 11 wird
durch ein Filter 12 geschickt, das die Grundkomponente der
Rechteckwelle heraussiebt und einer Modulator-Treiberstufe 13
zuführt, die eine geeignete lichtemittierende Photo-Diode speist. Diese Photo-Diode kann beispielsweise eine Galliumarsenid-Photo- Diode sein, die In ein optisches System strahlt, das zur Aussen dung eines eng gebündelten Lichtstrahls geeignet ist, der durch das vom Oszillator 10 aus synthetisierte 500 kHz-Signal ampli tudenmoduliert ist. Solche optischen Systeme gehören zum Stand

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der Technik und finden zur Zeit zunehmende Verbreitung. Die Photo-Diode und das optische System sind in Fig. 1 mit Bezugszeichen 14 gekennzeichnet und bilden zusammen einen Sender. Die Trägerfrequenz, d.h. die Frequenz des optischen Strahls, hängt von der verwendeten Photo-Diode ab, sie liegt jedoch, um einen typischen Wert zu nennen, für Distanzmeßeinrichtungen in der Größenordnung von 9400 A, d.h. im Ultrarot-Bereich.

Der vom Sender 14 ausgestrahlte modulierte optische Strahl wird durch ein Medium (etwa die Atmosphäre bei einem Abstandsmeßgerät) übertragen und durch einen Refelktor 15 zum Senderpunkt zurückgestrahlt, wo es durch einen Empfänger 16 empfangen wird, der durch ein veränderbares optisches Dämpfungsglied (Iris), eine Photoempfänger-Diode, gebildet ist, die aus diffundiertem Silicium-Material bestehen kann,und in der der modulierte optische Strahl demoduliert wird, so daß das modulierende 500 kHz-Signal extrahiert wird, und weiter ist ein geeignetes optisches System vorhanden. Empfänger dieser Art gehören ebenfalls zum Stand der Technik und sind in Gebrauch.

Der Reflektor 15 kann beispielsweise ein Katzenauge oder ein mit Kubuseckstücken oder sonst in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilter Reflektor sein!

Wurde ein Signal in der erwähnten Weise von Oszillator 10 aus synthetisiert und über einen bestimmten Weg übertragen, wobei der Weg in diesem Fall vom Sender 14 zum Reflektor 15 und wieder zum Empfänger 16 verläuft, so ist in diesem Fall die Frequenz beträchtlich niedriger als die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators 10 und weist eine Wellenlänge von 2000' (ss/ßoo m) auf. Es soll darauf hingewiesen werden, daß dieses Signal für andere Anwendungszwecke die gleiche oder eine höhere Frequenz aufweisen kann, als es der Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators entspricht,, solange dieses Signal aus dem Oszillatorausgangssignal erzeugt wird, wobei der Fall eingeschlossen ist, daß dieses Signal direkt das Signal des Oszillators selbst ist. Weiterhin kann dieses Signal auch nur wahlweise zur Modula tion eines Trägers vor der Übertragung über neu zw vermessenden

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Weg oder über das zu prüfende, zu überwachende oder zu messende Medium verwendet werden.

Zur Synthetisierung eines Signals aus dem Ausgangs signal des Oszillators 10 mit einer von der dem empfangenen und durch den Empfänger 16 demodulierten Signal entsprechenden Frequenz (500 kHz) unterschiedlichen Frequenz wird eine Einrichtung oder Schaltungsanordnung verwendet, die einen Teiler 11, einen weiteren Teiler 17, der aus einem oder mehreren Flip-Flops aufgebaut sein kann, ein Filter 18, einen abgeglichenen Mischer 19, ein Seitenbandfilter 20, einen Null-Durchgangs-Detektor oder -Demodulator 21, einen weiteren Teiler 22, der ebenfalls ein | Flip-Flop-Teiler sein kann, und ein Filter 23 umfaßt.

Eine Probe des 500 kHz-Ausgangssignals des Teilers 11 wird durch den Teiler 17, beispielsweise um den Faktor 250, heruntergeteilt, und das Ausgangssignal dieses Teilers 17 wird dem Filter 18 zugeführt, um das 2 kHz-Grundsignal herauszufiltern. Das 2 kHz-Ausgangssignal des Filters 18 wird zusammen mit einem Teil des 10 MHz-Ausgangssignals des Oszillators 10 dem abgeglichenen Mischer 19 zugeführt Der Ausgang des Mischers 19 wird dem Seitenbandfilter 20 zugeführt, das eines der beiden Seitenbänder (10,002 kHz und 9,998 kHz) heraussiebt und das andere Seitenband unterdrückt. Im vorliegenden Fall wird das 9,998 kHz-Seitenband gewählt. Das Filter 20 kann beispielsweise ein vielpo- * liges Quarzfilter sein.

Das Ausgangssignal des Filters 20 speist den Null-Durchgangs-Detektor 21, der das Ausgangssignal des Filters 20 in ein Rechteckwellensignal umsetzt. Das Rechteckwellensignal wird beispielsweise um den Faktor 20 durch den Teiler 22 heruntergeteilt und bei 499,9 kHz durch das Filter 23 abgesiebt, um ein spektralreines Signal mit einem um 100 Hz vom durch den Empfänger 16 empfangenen und demodulierten Signal (500 kHz) zu erhalten. Das Filter 23 kann beispielsweise ein schmalbandiges Quarzfilter sein.

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Es soll betont v/erden, daß hinsichtlich der Frequenz zwischen diesen beiden Signalen,die 100 Hz beträgt, keinerlei kritische Punkte auftreten. Es ist jedoch erforderlich, daß diese Frequenzdifferenz zwischen den beiden Signalen vorliegt und daß sie beide von der gleichen Quelle abgeleitet sind.

Es soll auch betont v/erden, daß viele andere mögliche Wege zur Synthetisierung des 499,9 kHz-Signals (oder einer anderen Frequenz) vorhanden sind als gerade die Verwendung der Komponenten 11 bis 23, und das hier offenbarte Anordnungssystem zur Signalgewinnung ist lediglich als zur Erläuterung dienend und nicht im beschränkenden Sinne aufzufassen.

Zur Verarbeitung einer Probe oder eines Teilsignals des 500 modulierenden-Signals und des abgeleiteten 499,9 kHz-Signals einerseits und des 500 kHz-demodulierten Signals und des abgeleiteten 499,9 kHz-Signals andererseits werden zwei identische Einrichtungen oder Anordnungen verwendet. Diese Anordnungen bestehen aus den Summiervorrichtungen 24 und 25, ZF-Verstärkern 26 und 27, den quadratischen Gleichrichtern oder Detektoren 28 und 29, den Bandpaßfiltern 30 und 31 und den Null-Abgleich- oder Null-Durchgangs-Detektoren 32 und 33.

Eine Probe des 499,9 kHz-Ausgangssignals des Filters 23 wird über einen Puffer 34 der Eingangsklemme einer Summiereinrichtung 24 zugeführt, während eine weitere Probe oder ein Teilsignal dieses Signals über einen Puffer 35 der Eingangsklemme der Summiervorrichtung 25 zugeführt wird. Eine Probe des 500 kHz-modulierenden Signals wird der anderen Klemme der Summiereinrichtung 24 zugeführt, während das demodulierte 500 kHz-Signal, das vom Empfänger 16 empfangen wird, an die andere Klemme der Summiereinrichtung 25 geführt ist.

Die beiden 500 kHz-Signale, die bei den beiden Summiereinrichtungen einlaufen, haben verschiedene Wege durchlaufen. Eines der Signale wurde ausgesendet, reflektiert und empfangen, während das andere einen solchen Weg nicht durchlaufen hat, so daß

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die Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Signalen die Differenz zwischen dem von dem ausgesendeten reflektierten und empfangenen Signal durchlaufenen Weg und dem Weg angibt, der von dem nicht ausgesandten Signal durchlaufen wurde. Im vorliegenden Fall ist die Weglänge des letztgenannten Signals ■ Null, so daß die Phasenverschiebung proportional ist zur Länge des Wegs vom Sender zum Reflektor und wieder zum Empfänger.

Die Summiereinrichtung 25 kann aus einem einfachen linearen Widerstandsnetzwerk bestehen, um ein ZF-Signal zu erzeugen, das mit einem 100 Hz-Signal amplitudenmoduliert ist und das sich mit folgender Gleichung darstellen läßt:

Kurve = \/Eg + ^₀ + ^2E _S ^E _O cos [(u -^₀) t + α ]

Darin entspricht E dem vom Puffer 35 gelieferten Signal,

E ist das empfangene Signal, λ; und OJ sind die den Signalen E bzw. E

¹^ S O ³SO

zugehörenden Frequenzen, und

α entspricht der Phasenverschiebung des empfangenen Signals.

Dieses Signal wird durch den ZF-Verstärker 27 verstärkt, und J dessen Ausgangssignäl wird durch den quadratischen Detektor abgetastet bzw. demoduliert, der gleichzeitig ein Vervielfacher sein kann. Dem ZF-Signal wird kein Durchgang durch das 100 Hz-Bandpaßfilter 31 ermöglicht, während das vom Filter 31 gewonnene 100 Hz-Signal durch den Null-Durchgangs-Demodulator 33 in ein Reckteckwellensignal umgesetzt wird.

Die durch die Summiereinrichtung 24, den ZF-Verstärker 26, den quadratischen Detektor 28, das Bandpaßfilter 30 und den Null-Durchgangs-Detektor 32 gebildete Anordnung arbeitet in gleicher Weise wie die durch die Komponenten 25, 27, 45, 31 und 33 ge bildete Anordnung zur Erzeugung eines 100 Has-R echt eckwell en-

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signals an der Ausgangsklemme des Null-Durchgangs-Detektors 32, und das gegenüber dem 100 Hz-Reckteckwellensignal an der Ausgangsklemme des Null-Durchgangs-Detektors 33 um einen zur Länge des Weges vom Sender zum Reflektor und wieder zum Empfänger entsprechenden Betrag phasenverschoben ist.

Es soll betont werden, daß auch andere Kombinationsmöglichkeiten und Mischverfahren zur Gewinnung der beiden 100 Hz-Signale (oder auch anderfrequenter Signale) angewendet werden können, als sie zur Signalgewinnung gemäß der soweit gegebenen Beschreibung verwendet wurde, ohne von dem allgemeinen Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. So ist es möglich, in einigen Fällen abgeglichene Mischer zu verwenden, obgleich die hier beschriebenen Anordnungsteile ihrer größeren Stabilität und der besseren Unterdrückung der Harmonischen wegen für den gegebenen Anwendungsfall zu bevorzugen sind.

Falls gewünscht, kann ein Teilsignal des Ausgangssignals des Filters 31 einer Pegelüberwachung 34a zugeführt werden, um den von der Photo-Diode empfangenen Energieanteil und damit die Amplitude des modulierten Signals zu überwachen.

Die 100 Hz-Ausgangssignale der Null-Durchgangs—Detektoren 32 und 33 sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt, und mit den Bezugszeichen 35a und 36 gekennzeichnet. Diese Signale werden, den beiden Eingangskiemmen eines digitalen Phasenkomparators 3 7 zugeführt. Das Ausgangssignal des digitalen Phasenkomparators 37 ist in Fig. 4 gezeigt und mit Bezugszeichen 38 gekennzeichnet. Dieses Ausgangssignal weist ins Positive gehende Impulse auf, die beim Null-Durchgang ins Positive der Impulse des Signals 35a beginnen und bei Einsetzen der ins Positive gehenden Impulse des Signals 36 abbrechen. Damit ist die Breite W der positiven Impulse 38a des Signals 38-eine direkte Anzeige für die Phasenverschiebung zwischen den Signalen 53a und 36. .

Gemäß einem wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen 35a und 36 mit einem· gewünschten Auflösungsgrad dadurch bestimmt, daß das Signal

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zusammen mit einem weiteren vom Oszillator IO abgeleiteten Signal auf eine Torschaltung 39 gegeben wird. Im vorliegenden Fall ist das letztgenannte Signal ein Teilsignal des IO MHz-Ausgangssignals des Oszillators, obgleich, solange dieses Signal vom Oszillator 10 abgeleitet wird, auch ein niedrigerfrequentes Signal durch Herunterteilen gewonnen werden könnte, so daß ein geringerer Auflösungsgrad erhalten würde. Oder es könnte auch durch Frequenzmultiplikation ein höherfrequentes Signal erhalten werden, so daß sich ein noch höherer Auflösungsgrad ergäbe, Die Frequenz des vom Oszillator 10 abgeleiteten Signals muß jedoch größer sein als die Frequenzen der Signale 35a und 36, und der Grad der Auflösung ist direkt abhängig von der Differenz dieser Frequenzen und ist umso höher, je größer ' ( die Frequenzdifferenz ist. Diese Verhältnisse sind in Fig. 5 schematisch dargestellt, die schematisch das Ausgangssignal 40 der Torschaltung 39 zeigt. Jeder positive Impuls des Signals (Fig. 4) tritt auch im Signal 40 als Impulsfolge des 10 MHz-Signals auf, das vom Oszillator 10 abgeleitet ist. Die Anzahl der 10 MHz-Impulse, die jeweils einen Impulszug 40a des Signals 40 bilden, ist direkt proportional zur Phasenverschiebung zwischen Signalen 35a und 36, und die Anzahl dieser 10 MHZ-Impulse in einem einzelnen Irnpulszug des Signals 40 wird gezählt und durch Digitalzähler bzw. eine Wiedergabeeinheit 41 dargestellt. Die Wiedergabeeinheit kann ein direkt abzulesendes Gerät, beispielsweise eine elektronische Wiedergaberöhre, sein. Die Auflösung g eines solchen Systems oder einer solchen Anordnung ist durch das Verhältnis 10 MHz ..__ _nn gegeben. D.h., eine Wellen-

100 HZ ^{= 1}WiVVV.!.

länge des Signals 38 wird in 100 000 gleiche Intervalle geteilt, jedoch werden nur jene Teile oder Impulse durch den Zähler 41 gezählt, die während der Dauer des Intervalls V/ auftreten.

Ein Teilsignal des Ausgangssignals des Null-Durchgangs-Detektors 32 wird einer Logik und Teilsignal-Programmiereinrichtung 42 zugeführt, die ein Signal an den Digitalzähler und die Wiedergabeeinheit 41 liefert und das der Zähler zur Mittelwertbildung über die Ergebnisse benötigt, d.h. beispielsweise 100 Impulsfolgen auszählt und das Ergebnis wiedergibt, so daß ein Le--

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sevorgang oder ein Aus- oder Ablesen einmal pro Sekunde erfolgt, wobei der ausgelesene Wert dem Durchschnitt der gezählten 10 MHz-Impulse über 100 der Impulse oder Impulszüge 40a des Signals 40 entspricht.

Ein Ausgangssignal des Komparators 37 wird einem Analog-Nullverstärker 43 zugeführt, der mit einer Null-Anzeige-Einrichtung 44 verbunden ist, um die Null-Bedingung der Phasenverschiebung für die gesamte Einrichtung mit hoher Auflösung anzeigen zu können und somit ein Hilfsmittel für den Null-Abgleich des gesamten Instruments zur Verfügung zu haben. Es ist offensichtlich, daß am digitalen Phasenkomparator 37 kein Ausgangssignal 38 vorliegt, wenn die Signale 35a und 36 in Phase sind. Der Null-Abgleich des Instruments kann unter Verwendung des Phasenschiebers 45 erfolgen, womit die Phase des Signals 36 relativ zur Phase des Signals 35a verschiebbar ist. Zum Null-Abgleich wird das vom Sender 14 abgestrahlte Signal über einen im Instrument vorgesehenen optischen Weg anstatt über den Weg zum Reflektor geschickt. Die Einstellung des Phasenschiebers 45 wird dann so lange verändert, bis an der Anzeigeeinrichtung 44 Null abgelesen wird«

Ist das Instrument einmal'aufgebaut und auf Null abgeglichen, so muß es noch kalibriert werden, um _xdie Entfernung genau ablesen zu können. Dies erfolgt so, daß eine bekannte Distanz gemessen wird, wobei die Abweichungsüberwachung 46 verwendet wird, um einen Korrekturfaktor dem digitalen Zähler und der Wiedergabeeinheit 41 additiv oder subtraktiv zuzuführen, je nach der Differenz, die zwischen dem vom Zähler ermittelten Wert und der tatsächlichen Entfernung besteht.

Die Verwendung des digitalen Phasenkomparators und das Verfahren der Synthetisierung aller erforderlichen Frequenzen von einem einzigen Bezugs-Oszillator aus gestattet es, daß dieses System für jede Art der· metrischen Norm verwendet werden kann. D.h., daß durch Einstellung der Frequenz des Bezugsoszillators 10 und der zugeordneten Filter ein Maßsystem erreicht werden kann, das entweder nach dem metrischen oder etwa nach dem bri-

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tischen Maßsystem arbeitet, wobei eine Auflösung erreicht wird, die im vorliegenden Fall ein Hundertstel der Maßeinheit erreicht» D.h. im vorliegenden Fall wird eine Auflösung von l/lOO 000 der zur Vermessung gewählten Wellenlänge erreicht. Durch den einzigen Bezugsoszillator wird auch sichergestellt, daß sich keine Meßfehler auf Grund verschiedener Frequenzdrift einschleichen können, wie das bei der Verwendung mehrerer Oszillatoren leicht der Fall sein kann, und gleichzeitig ist Zeit- und Phasenkohärenz für alle Signale der gesamten Einheit sichergestellt.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen gleicher Frequenz dadurch bestimmt, daß zwei Signale von einer einzigen gemeinsamen Qtiel- ι { le abgeleitet und dann zur Gewinnung eines Signals weiterverarbeitet werden, das Impulse aufweist, deren Breiten proportional zur Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen sind. Das letztgenannte Signal wird zusammen mit einem von derselben Quelle abgeleiteten und auf einer höheren Frequenz liegenden Signal, als es der Frequenz der beiden erwähnten Signale entspricht, so verarbeitet, daß ein Signal erhalten wird, bei dem die vorerwähnten Impulse durch Impulszüge des zuletzt gewonnenen Signals gebildet sind, und die Impulse der Impulszüge werden gezählt.

Die erwähnte. Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen J kann auf eine Anzahl verschiedener Weisen entstanden sein und kann auf eine Anzahl verschiedener Dinge hinweisen. So kann sie beispielsweise durch Übertragung der beiden Signale über verschiedene Wege entstanden sein, die sich voneinander in einigen Eigenschaften, z.B. in der Länge, unterscheiden.

Es wird darauf hingewiesen, daß bei der soweit beschriebenen · vollständigen Anordnung das Verhältnis der Frequenzen der beiden der Torschaltung 39 zugeführten Signale 100 000:1 ist. Es wäre Jedoch auch möglich, ein Verhältnis 36 000:1 zu wählen, um die Phasenverschiebung nach Graden mit einer Auflösung von 0,01° oder 2Jc χ ioⁿ:l auslesen zu können, um den ausgelesenen Wert direkt in Radian mit einer Auflösung von 10ⁿ zu erhalten.

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Obgleich die Frequenz des der Torschaltung 39 vom Oszillator IO aus zugeführten Signals größer sein muß als die Frequenz der Signale, die von den Null-Durchgangs-Detektoren 32 und 33 erhalten werden, kann der Betrag der Differenz zwischen den beiden Frequenzen in weitem Bereich schwanken, und es hängt von Faktoren, wie der Tast- bzw. Prüfzeit, dem Signal-Rauschverhältnis und davon ab, ob das Verhältnis ganzzahlig oder nicht-ganzzahlig ist, und auch von dem geforderten Grad der Auflösung. Insbesondere, wenn eine nicht-ganzzahlige Beziehung besteht, obgleich ganzzahlige Beziehungen nicht notwendigerweise ausgeschlossen sind, sollte das Verhältnis der beiden Frequenzen größer als 1, und die minimale Tastzeit der Messung sollte gleich oder größer sein als die Periode der Differenz zwischen den beiden Frequenzen mit der¹ Durchschnittszahl von Impulsen jedes Impulszugs 40a, der während der bestimmten Tastzeit auftritt. Liegt ein ganzzahliges Verhältnis vor, so wird das Verhältnis der beiden Frequenzen 2:1 oder größer sein, d.h. das Verhältnis ist ganzzahlig. Auf Grund praktischer Erwägungen hat sich gezeigt, daß ein ganszahliges oder nicht-ganzzahliges Verhältnis von !Oil oder größer am zweckmäßigsten ist.

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Claims (13)

1. 2Ü42163

   - 15 Patentansprüche

   1«, ) Verfahren zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen gleicher Frequenz F., dadurch gekennzeichnet , daß beide Signale aus einer einzigen gemeinsamen Quelle erhalten werden und aus diesen beiden Signalen ein drittes Signal gewonnen wird, das erste im Abstand aufeinander folgende Impulse aufweist, deren Dauer proportional zu der Phasenverschiebung ist, daß von der -gemeinsamen Quelle ein viertes Signal der Frequenz F„ mit Fp > F- abgeleitet wird, daß aus dem dritten und vierten Signal ein fünftes Signal mit auf Lücke aufeinanderfolgenden Impulsfolgen oder -zügen gewonnen wird, deren Bau- ' er der der genannten Impulse entspricht, und die zweite Impulse des vierten Signals enthalten, wobei die Zahl der zweiten Impulse, die die Impulsfolgen oder -züge bilden, proportional zur Phasenverschiebung ist, und daß die Zahl der zweiten mindestens einein) der Impulsfolgen oder -züge bildenden zweiten Impulse bestimmt wird.
2. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Signal durch Kombination der beiden Signale und das fünfte Signal durch Vereinigung des dritten und vierten Signals erhalten werden kann.
3. 3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das dritte Signal durch Vereinigung der beiden Signale vorzugsweise in einem digitalen Phasenkomparator und das fünfte Signal durch Tastung, vorzugswei-• se mittels einer Torschaltung, aus dem dritten und vierten Signal erhalten wird.
4. 4.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzahl der zweiten Impulse, die einein) der Impulsfolgen oder -züge bilden, durch Auszählen der zweiten Impulse bestimmt wird.

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5. 5.) Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der anderen vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Signale mit der Frequenz F. dadurch erhalten werden, daß mit jedem von zweien, von einer einzigen gemeinsamen Quelle abgeleiteten Signalen ein weiteres Signal kombiniert wird, das ebenfalls aus dieser einzigen gemeinsamen Quelle stammt und eine von den Frequenzen der beiden letztgenannten Signale, die ebenfalls von der einzigen gemeinsamen Quelle stammen, verschiedene Frequenz aufweist, dazu jedoch in solcher Beziehung steht, daß die beiden sich ergebenden Signale die gleiche Frequenz F. aufweisen.
6. 6.) Verfahren nach Anspruch 5 oder einem der anderen vorherge- , henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschnittsanzahl der zweiten Impulse, die jede der Impulsfolgen bilden, die innerhalb eines Intervalls auftreten, das mindestens so lang ist wie die Periode eines Signals, dessen Frequenz gleich der Differenz zwischen F~ und F ist, bestimmt wird.
7. 7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis F₂ : F. ganzzahlig und mindestens 2:1 ist.
8. 8.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,, daß das Verhältnis F» : F mindestens 10;1 beträgt.
9. 9.) Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen zwei von einer gemeinsamen Quelle abgeleiteten, jedoch über verschiedene Wege übertragenen Signalen, gekennzeichnet durch einen Oszillator (10), der ein Ausgangssignal der Frequenz F- erzeugt, eine Schaltungseinheit (11-14) zur Übertragung eines ersten von dem Oszillator abgeleiteten Signalanteils der Frequenz Fp über ein Medium, wobei F_ gleich oder unterschiedlich von F^ ist, eine Empfangseinrichtung (16) zum Empfang des über das Medium übertragenen Signals, eine Schaltungsgruppe

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   (17-23), um vom Oszillator (10) ein Signal der Frequenz F₃ abzuleiten, wobei F₃ verschieden von Fp ist, eine Schaltungsgruppe (24,26,28,30,32), um einen Signalanteil mit der Frequenz F~ mit einem vom Oszillator abgeleiteten Signalanteil zu kombinieren, der eine von der Frequenz F₃ verschiedene Frequenz aufweist und über einen von dem Übertragungsweg des ersten Signalanteils, der von dem Oszillator abgeleitet wird und die Frequenz F„ aufweist, verschiedenen Kanal übertragen wird und so umgesetzt wird, · daß ein erstes Signal (35a) der Frequenz F₄ erzeugt wird, eine Schaltungseinheit (25,27,29,31,33) zur Vereinigung des von dem Oszillator abgeleiteten ersten Signalanteils mit dem Signal, das mittels der Empfangseinrichtung emp- ' fangen wurde, um ein zweites Signal (36) der Frequenz F₄ zu erzeugen, wobei die Frequenzen der beiden letztgenannten Signale voneinander unterschieden sind, eine Schaltungseinheit (37,39) zur Weiterverarbeitung des ersten und zweiten Signals in Verbindung mit einem Signal, das vom Oszillator abgeleitet ist und eine Frequenz F₅ aufweist, wobei F₅ größer ist als F₄, um ein drittes Signal (38) in Form erster Impulse zu erzeugen, deren Impulsbreiten proportional zur Phasenverschiebung zwischen dem ersten und zweiten Signal sind, wobei die Impulse zweite Impulse (40a) des Signals der Frequenz F₅ enthalten und wobei die Anzahl der zweiten Impulse, die Inhalt der ersten Impulse (38) sind, proportional zu der Phasenverscheibung ist, und schließlich gekennzeichnet durch eine Schaltung seinrichtung (41) zur Bestimmung der Anzahl der zweiten Impulse, die zumindest einen der ersten Impulse ausfüllt.
10. 10.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Oszillator abgeleitete erste Signalanteil, der mit dem Signalanteil, der mit Frequenz F^ kombiniert wird, ein zweiter Anteil des Signals der Frequenz F₃ ist, und daß der von dem Oszilla-

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    tor abgeleitete Signalanteil, der mit dem mittels der
    Empfangseinrichtung (16) empfangenen Signal kombiniert
    wirft, ein Signalanteil der Frequenz F₃ ist.
11. 11.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz Fp kleiner als die Frequenz F. und die Frequenz F^ kleiner als die Frequenz F„ ist.
12. 12.) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11,

    dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz F₅ gleich der Frequenz F. ist.
13. 13.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis F₅ : F₄ mindestens 10:1 ist.

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