DE2051442A1 - Verfahren und Einrichtung zur Messung der Periodendauer elektrischer Signale - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren und Einrichtung zur Messung der Periodendauer elektrischer Signale

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Periodenaauer einen bestimmten, einstellbaren Pegel überschreitender elektrischer Signale mit statistisch schwankenden Signalamplituden, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtung.

Derartige Einrichtungen werden überall dort eingesetzt, wo die Periodendauer von elektrischen Signalen mit hoher Genauigkeit ermittelt werden soll, das Nutzsignal jedoch mit statistischen Amplitudenschwankungen behaftet ist. Diese Schwankungen können systembedingt sein oder beispielsweise durch Störungen hervorgerufen v/erden. Insbesondere werden .solche Messeinrichtungen in Radar-Doppler-Systemen benötigt. Di«3 sei nachstehend anhand einer Laser-Doppler-Strömur<333onde erläutert.

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Auf den zu untersuchenden Bereich eines Strömungsfeldes in dem sich streuende Teilchen befinden, wird der Licht strahl eines Dauerstrich-Lasere fokussiert. Durch die sich bewegenden Teilchen des Strömungsfeldes erleidet dann dae gestreute Laser-Licht eine Doppler-Frequenzverschiebung, die ein Mass für die Geschwindigkeit der streuenden Teilchen darstellt. Zur Messung dieser Frequenzberschiebung werden der nicht gestreute und ein gestreuter Strahl über Spiegel gemeinsam auf einen Lichtdetektor fokussiert, wodurch sich ein Differenz-Mischsignal (Heterodyn-Signal) kleiner und dar.it elektronisch verarbeitbarer Frequenz ergibt. Die Frequenz des Heterodyn-Signals liegt je nach Strömungsgeschwindigkeit im kHz- oder MHz-Bereich. Nähere Einzelheiten und Ausf*uhrungsbeispiele sind beispielsweise in IEEE J. of Quantum Electronics, 1966, 260-266 beschrieben.

Zur Verarbeitung des Heterodyn-Signals werden im allgemeinen Frequenzanalysatoren verwendet (a.o.O.). Frequenzanaiyeatoren versagen jedoch dann, wenn die Doppler-Frequenzen etarken Schwankungen unterworfen sind, was in der Praxis meist der Fall ist. Auch kann die Messung durch Störungen, die dem Doppler-Signal überlagert sind verfälscht werden.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Mangel und Unzulänglichkeiten des Bekannten zu beheben und ein Verfahren zur Messung der Periodendauer von elektrischen Signalen mit statistisch schwankenden Signalamplituden und/oder starken Frequenzschwankungen anzugeben.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzusehlagen.

Das zur Lösung der vorgenannten Aufgabe vergesehene Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Nulldurchgang des Eingangs signals, wenn dies^in der dem Nulldurchgang vorangegangenen .Halbperiode des Eingangssignals den genannten Pegel überschritten hat, aus dem Eingangssignal ein Zeitmarkensignal abgeleitet wird, das die Anzahl der Perioden des Eingangssignals, die den genannten Pegel überschritten haben, angibt, und dass aus dem Eingangssignal ein Steuersignal abgeleitet wird, das die gesamte Dauer der Perioden des Eingangssignals, die den genannten Pegel überschritten haben, angibt.

In einer ersten Verfahrensvariante wird das Zeitmarkensignal zur Bestimmung seiner Periodendauer einer Periodendauer-Messeinrichtung zugeführt und das Steuersignal dem Hilfseingang des Zählers der Pericaendauer-Messeinrichtung zu-

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geführt wird, wo das besagte Steuersignal den Zähler einschaltet und auf Null setzt in Abhängigkeit von seinem logischen Pegel.

Eine zweite Verfahrensvariante sieht vor, aus dem Steuersignal, unter Zuhilfenahme des Zeitmarkensignals, die mittlere Periodendauer einer mittels eines Vorwahlzählers ein- ψ stellbaren Anzahl von Perioden des Eingangssignals zu bestimmen.

Die zur Durchführung des oben genannten Verfahrens vorgesehene Einrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass erste Mittel zur Ableitung des Zeitmarkensignals und zweite Mittel zur Ableitung des Steuersignals aus dem. Eingangssignal vorgesehen sind.

P Gemäss der Erfindung soll die vorstehende Einrichtung zusammen mit einer Freqyenz- oder Periodendauer-Messeinrichtung in einer Laser-Doppler-Strömungssonde verwendet werden, indem bei der Auswertung des Doppler-Signals nur die Frequenz oder die Periodendauer der Signale ermittelt wird, de ren Signalamplituden einen bestimmten, einstellbaren Pegel überschreiten.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht notwendigen Einzelheiten sind in den Zeichnungen fortgelassen worden. Gleiche Teile sind in den Figuren mit denselben Bezug3ziffern versehen.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemässen Messeinrichtung,

Fig. 2 eine mehr ins Einzelne gehende Darstellung des aus Komparatoren 1 und 2 sowie der Logikschaltung bestehenden Eingangsteils der Messeinrichtung gemäss Fig. 1,

Fig. 3 ein Impuls-Zeit-Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Kesseinrichtung für zeitlich veränderliche Frequenzen,

Fig. 5 ein Impuls-Zeit-Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 4,

Fig. 6 ein Anwendungsbeispiel der Messeinrichtung gemäss Fig..1 ir Verbindung mit einer Laser-Doppler-Strömungesonde,

Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 6 dargestellten Anordnung.

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Daa Verfahren zur Messung der Periodendauer von elektrischen Signalen, deren Amplituden statistischen Schwankungen unterworfen sind, wird nun anhand dee Blockschaltbildes der Fig. 1 beschrieben. Aufbau und Wirkungsweise der einzelnen, Komponenten schliessen sich dieser Beschreibung an.

Das Eingangssignal ü_£ wird zwei Komparatoren 1 und 2 zuge- r führt. Der Komparator 1 ändert stets dann seinen Ausgangszustand, wenn das Eingangssignal einen Ilulldurchgang hat. Der Komparator 2 wechselt dann seinen Ausgan^szustand, wenn das Eingangssignal U_F einen bestimmten Pegel (U ) über bzw. unterschreitet. Eine an die beiden Konparatoren achaltete Logikschaltung 3 wählt diejenigen Signale aus, deren Amplituden den den am Komparator 2 eingestellten Pegel U über^retten und gibt sie in Form von Nulldurchgangs-Zeitmarken an den Eingang E₁, einer nachgeschalteten Periodendauer-Messeinrichtung ¹J weiter. Die Logikschaltung hat zudem die Aufgabe, mittels eines ebenfalls aus dem Eingangssignal abgeleiteten Steuersignals, die Messwertverarbeitung in der Periodendauer-Messeinrichtung Ί zu stoppen bzw. sie erst zu ermöglichen, wenn das Eingangssignal den eingestellten Pegel unter- bzw. überschreitet. Da in den meisten Fällen weniger die Periodendauer, vielmehr die 'Frequenz des Eingangssignals von Interesse ist, - kann sich an die Periodendauer-Messeinrichtung noch ein

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Rechengerät zur Umrechnung der Periodendauer in die Frequenz anschliessen.

Wie an späterer Stelle noch gezeigt wird, kann aus dem von der Logikschaltung 3 gelieferten Steuersignal in Verbindung mit den genannten liulldurchgangs-Zeitnarken (Seitmarkensisnal) der Mittelwert der Per-icder.dauer der Eingangssignal, die den am Komparator eingestellten Pegel überschreiten, bestimmt werden.

In Fig. 2 ist die aus den Komparatoren I und 2 und die Lcgikschaltung 3 detailliert dargestellt, Bekannte Bausteine der Digital-Technik, wie ε.B. Komparator, Schmitt-Trigger, Monostabiler Vibrator, etc«, sind dabei nicht ausführlich wiedergegeben, da sie zum Stande der Technik zu zählen sind. Das Eingangssignal U_p gelangt unmittelbar an die Eingänge der beiden Komparatoren 1 und 2. Der Vergleichseingang des Komparators 1 liegt an Masse, der des Koraparators 2 liegt an einer Spannungsquelle 6, die vorzugsweise einstellbar ausgeführt werden kann. Der Ausgang des· Komparators 1 ist mit dem Eingang eines ersten Schmitt-Triggers 7, der des Komparators 2 mit dem Eingang eines zv/eiten Schmitt-Triggers 8 verbunden. Der Schmitt-Trigger 7 weist zwei Ausgänge A- und A- auf.

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Mit dem Ausgang A₇ des Schmitt-Triggers 7 ist ein erster monostabiler Multivibrator 9 verbunden, mit dem Ausgang Ä- ist ein zweiter monostabiier Multivibrator 10 verbunden. An den Ausgang Ag des Schmitt-Triggers 8 ist ein dritter monostabiler Multivibrator 11 angeschaltet. Der Ausgang A₁₁ des letzteren ist mit dem ersten Eingang E₁₂ ' eine UND-Gliedes 12 verbunden. Die beiden restlichen ψ Eingänge E,- und E^f ₁₂ ^s*^{nd über} Schalter S₁ bzw. Sp mit einer Spannungsquelle 13 verbunden, die eine Spannung liefert, die der logischen ^wl" des Systems entspricht. Der Ausgang A. _? des UIJD-Glieds 12 und der Ausgang A_ des ersten monostabilen Multivibrators 9 sind je mit dem S- bzw. R-Eingang eines RS-Plipflop Hf verbunden.

Der Ausgang A₁₂. ist mit dem ersten Eingang E._ eines ersten UND-Glieds 15» der Ausgang A^ mit dem ersten Ein·? * gang E.g eines zweiten UND-Glieds 16 verbunden.. Die zweiten Eingänge E₁- und fLg .der UND-Glieder 15 und 1§^ind parallel geschaltet und mit dem Ausgang A. des zweiten monostabilen Multivibrators 10 verbunden. An den Ausgang A.,. des ersten UND-Glieds 15 ist der R-Eingang eines zweiten RS-Flipflop 17 angeschlossen, während der Ausgang A.g des zweiten UND-Olieds 16 mit dem S-Eingang des RS-Plipflop 17 verbunden ist.

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In der Schaltungsanordnung genäse Pig. 2 ist weiterhin ein Vorwahlzähler 18 mit dem Ausgang A..g des zweiten UND-Glieds 16 verbunden. Sein Ausgang A.« kann über den oben erwähnten Schalter S₂ mit dem dritten Eingang E¹.-des UND-Glieds 12 verbunden werden.

Die Wirkungsweise der oben beschriebenen Schaltungsanordnung gemäss Fig. 2 wird nachstehend unter Zuhilfenahme des Impuls-Zeit-Diagramms der Fig. 3 erläutert. Um eine übersichtliche Bezeichnungsweise zu erreichen, wurden die Au3gangsspannungen der einzelnen Bausteine nach folgenden Schema benannt. Ausgangsspannung am i-ten Baustein: U. - Negation von U.:V.<

Die Erläuterung der Signalverarbeitung beginnt am Anfang der Periode T des Eingangssignals U₁,. Der Schalter S. sei geschlossen, der Schalter S- sei in der Lage "oa", d.h. die Spannungsquelle 13 ist mit dem ersten und dritten Eingang des UND-Glieds 12 verbunden. Die beiden RS-Flipflops 14 und 17 sind in ihrer Ruhelage. Die Spannungen U-, 0_, Uq und U₁₀ sind vorhanden, gleichgültig, ob das Eingangssignal grosser oder kleiner als der gewählte Diskrirainationapegel U_Q ist - bei fehlendem Eingangssignal trifft diese Bemerkung selbstverständlich nicht zu. Sobald das

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E ingange signal U den Pegel ü überschreitet, wird der erste U₁₁-IiBPaIs erzeugt. Dieser passiert das UIlD-Glied 12, da nun alle Spannungen eon Eingang desselben vorhanden sind» und setzt -der* KS-Flipflop 1$, Dies ist den Pfeil in Fig. 3 angedeutet. BeJLm mächsten negativem IJaIl durchhang des Eingangssignals TJ wird der Inpula ö... erzeiagt, der auf den zi*eiten Eingang IL,- des zweitem UK3>-01ieds l6 gelengt. Damit ist an diesem U!JD-Glied die UlID-Bedingung erfüllt und der D₁₀-lmpuls wird als der "erste¹* U,g-Iiapule durchgelassen. Dieser Ü.^-Inpuls setzt gleichzeitig den RS-Flipflop 17 hoch.

In der nächstfolgenden Periode T₊₁ (nficheter positiver Nulldurchgang des Eingangesignals) setzt der U_g-Impuls den RS-Flipflop 14 in seine Ausgangslage. Auf diese Weise werden wieder gleiche Ausgangebedingungen für die nächste Perlode T_n+1 hergestellt. In den anschliessenden Perloden, in denen das Eingangssignal U_c den Pegel U überschreitet,

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wiederholt sieh der eben beschriebene Vorgang.

Der "letzte" U₁.-Impuls (er entsteht bekanntlich nur, wenn das Eingangssignal den Pegel U aberschreitet) setzt den RS-Flipflqp Ik hoch, und es entsteht am Ausgang A.g dea zweiten UND-Gliedes 16 der "letzte" U₁g-Impuls. Der RS-Flipflop 14 wird durch den Ug-Impuls wieder auf «einen

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Ausgangszustand gesetzt. Da nun kein weiterer U..-Impuls folgt, ist für den nächsten U₁Q-ImPuIs die UND-Bedingung am UND-Glied 15 erfüllt. Dadurch wird der U^-Impuls durchgelassen und erscheint am Ausgang A.,- des UND-Glieds 15 als U. ,--Impuls und setzt den RS-Plipflop 17 auf den Ausgangszustand zurück.

Die Ausgangs-Impulse U₁^ und U,_? tragen die gewünschte Information: Die Anzahl der U.g-Impulee gibt an, wieviele Perioden des Eingangssignal U_£ den Diskriminationspepel U überschritten haben, die Länge des U,«-Impulses entspricht der gesaraten Dauer dieser Anzahl von Perioden. Durch die Lage der U.g-Impulss und die Abfallflinke des U₁₇" Impulses wird zudem die Dauer der einzelnen Perioden festgehalten.

Die oben beschriebene Schaltungsanordnung stellt, für sich betrachtet, noch keine selbständige Einrichtung zur Messung von Periodendauer oder Frequenz von Signalen dar, deren · Signalamplituden statistischen Schwankungen unterworfen sind. Sie wird es erst in Verbindung mit einer Frequenzoder Periodendauer-Messeinrichtung. Dies soll nachstehend beschrieben werden.

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In Flg. 4 ist eine Schaltungsanordnung zur Echtzeitmessung von Frequenzen dargestellt. Bekannte Bausteine der Digital-Technik, wie z.B. Toggle-Flipflops, UND-Glieder, etc. sind in ihr nicht ausführlich wiedergegeben, da sie zum Stande der Technik zu zählen sind.

Als Eingangssignal dient in unserem Falle die U.g-Impüls-) folge am Ausgang des UIJD-Glieds 16 in Fig. 2. Diese Impulsfolge gelangt an den Eingang eines zv/eisteliigen Binärzählers Z. Er besteht aus zwei in Reihe geschalteten Toggle-Flipflops 19 und 20. Toggle-Flipflops sind bistabile Kippstufen mit symmetrischer Triggerung (z.B. Texas Instrumente SIJ 7^70). Der Eingang des ereten Toggle-Flipflop 19 dient als Eingang des Binärzählers, der Ausgang A₁Q ist einerseits mit dem Eingang des zweiten Toggle-Flip flop 20, andererseits mit dem ersten Eingang E₂₁ W eines ersten UND-Glieds 21 verbunden. Der Ausgang Ä_ig des ersten Toggle-Flipflops 19 ist mit dem ersten Eingang E₂₁ eines zweiten UND-Glieds 21 und mit dem ersten Eingang E₂₂ eines dritten UND-Glieds 6 verbunden. Der Ausgang A₂₀ des zweiten Toggle-Flipflops 20 ist mit dem zweiten Eingang E₂₁ des ersten UND-Glieds 21 und dem zweiten Eingang E₂₂ des zweiten UND-Glieds 22 verbunden. An den Ausgang Ä.. des zwe'iten Toggle-Flipflops 20 ist der zweite Eingang 23-des dritten UND-Glieds 23 geschaltet.

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Der Integrator I besteht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker 24, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbunden ist und dessen nichtinvertierender Eingang einerseits mit einen gegen Masse geschalteten Kondensator C. und andererseits über einen vom ersten UND-Glied gesteuerter Schalter S, mit einer Konstantstromquelle 25 verbunden ist. Ein von dem dritten UND-Glied 23 betätigter weiterer Schalter S^dient zum Kurzschiiessen des Kondensators C.. Der Ausgang des Integrators I ist über einen weiteren, vom zweiten UND-Glied 22 betätigter Schalter S^ mit dem Eingang eines Haltekraises H (er.gl. sample-and-hold-circuit) verbunden. Der Haltekreis H weist einen ähnlichen Aufbau wie der Integrator I auf, besteht also aus einem Operationsverstärker 26, an dessen nichtinvertierenden Eingang ein Kondensator C₂ gegen Hasse geschaltet ist, und dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers 26 verbunden ist.

An den Ausgang des Haltekreises H schliesst sich ein Rechengerät R an, das als Reziprokwertbildner wirkt. In seiner ersten Stufe, einem logarithmischen Verstärker 27, wird der Logaritmus U. * log U„ der am Ausgang des Haltekreises entstehenden Spannung U-, gebildet und invertiert.

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Di· Spannung - U^ und «ine konstante Spannung U. ·

log k werden in einen Addierer 28 storniert und die Summ

^Uk " ^UL * ^{1θβ k} " ^{l0g U}T ^einer ANTILOQ-Schaltung 29 zugeftthrt. Am Ausgang der ANTILOQ-Schaltung 12 entsteht danni eine Spannung U-, die ungekehrt proportional (ProportionalitItβfaktor k) der Ausgangsspannung U₇ des Haltekreises H ist. Eine Schaltungsanordnung, die aus einer Eingangsgröße eine ' sy tfieser resiproke Ausgangsgröße bildet, ist beispielsweise der Philbrick Nexus Baustein log-Modul "* 350 oder M 351.

Die Funktion der in Fig. Il dargestellten Schaltungsanordnung wird nun anhand des in Fig. 5 abgebildeten Irr. pul ε -Zeit- Diagram» erläutert.

Während der Periode T_n ist der Schalter S, geschlossen. Der Kondensator C. wird durch die Konstantstromquelle 25 auf eine Spannung U_n, aufgeladen, die proportional der Perioden-

dauer von T ist. In der nächsten Periode T_n+, schliesst der Schalter S^- und überträgt die Ausgangsspannung des Integrators I in den Haltekreis H. Als nächstes nuss der Kondensator C₁ wieder entladen werden. Dies darf aber erst dann geschehen, nachdem der Schalter Sj₁ wieder geöffnet worden ist. Un wegen der unvermeidlichen SchaltUnsicherheit •wischen Schliessen des Schalters S_c und Oeffnen des Schalters Su nicht Fehlmessungen zu erhalten, dient die Periode T ^. als Wartepause. Würde nämlich Schalter S-

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schon schliessen und den Kondensator C. zu entladen beginnen, wenn der Schalter S^ noch geschlossen wäre, so würde eine niedrigere Spannung in den Haltekreis übergeben werden. In der auf die Periode T _ folgenden

Periode T ^- schliesst der Schalter S, und entlädt den n*3 3

Kondensator C, des Integrators I, der damit auf Null zurückgestellt wird. In der nächsten Periode wird S, wieder geschlossen, etc. Auf diese Weise erhält man pro vier Perioden einen Messwert U„ am Ausgang des Haltekreises, der dann in der oben beschriebenen Weis· in ein zur Frequenz des Zin^angssignals U.g proportionales Aur,3anp:ssignal U-. umgewandelt wird.

Die Steuerung der Hesszyklen erfolgt durch das Eingangssignal U^g selbst, so dass Messwertverarbeitung und das zu messende Signal synchron zueinander sind. Die Steuerung der Messzyklen, d.h. die Betätigung der Schalter S,, S^ und Sc wird durch die in ihrem. Aufbau bereits oben beschriebene logische Schaltung bewerkstelligt. Diese soll -nun einer etwas eingehenderen Betrachtung unterzogen werden.

Der erste Toggle-Flipflop 19, ebenso der zweite Toggle-Flipflop 20 seien in Ruhestellung. Der U,g-Irapuls am Beginn der -Periode T_n bringt den Ausgang A,- in den Zustand "1", dies wiederum hat zur Folge, dass der Ausgang A--

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des streiten Toggle-Flipflops 20 ebenfalls den Zustand "1" annimmt. Xj- und A-,. befinden sich derzeit im "0^w-Zustand. Die nächste positive Iapulsflanke des Signals U₁^ verursacht eine Aenderung der Ausgangsspannungen ü.« und ί ü.g dahingehend, dass A₁- den Zustand "0", Äj« den Zustand "1" annisuat. Da nun der zweite Toggle-Flip flop 20 ebenso wie der erste Toggle-Flipflop 19 nur auf positive Iapulsflanken seinen Zustand am Ausgang ändert, bleibt beim Sprung von "I" auf *0" des ersten Toggle-Flipflop der Zustand an Ausgang des zweiten Toggle-Flipflop 20 erhalten. Erst beim Eintreffen des dritten Impulses, d.h. des Zeitmarkensignals am Beginn der Periode T ₂ ändert sich der Zustand am Ausgang des zweiten Tcfggle-Flipflops

20 dahingehend, dass der Ausgang A__Q den Zustand "0", *20 ^{den Zu3tand} "1" annimmt. Diese Verhältnisse sind in das Impuls-Zelt-Diagraam der Fig. 5 eingetragen. Die Impulsfolge U.- weist dl· halbe, die Impulsfolge U-_o weist den vierten Teil der Frequenz des Signals U,* auf. Alle drei Impulsfolgen sind nach je vier Perioden des Signals U.g In Phase, beispielsweise am Anfang der Periode T_ß, T j., T₊Q, etc. Wie weiter oben beschrieben, sind die Ausginge der beiden Toggle-Flipflope 19 und 20 «it drei UND-Qlied·™ 21, 22, 23 verbunden. Dem ersten UND-Qlied

21 wird al· Impulsfolg· U_ig und U₂₀, dem iw«it«n UND-

Ollcd 23 dl· Impulsfolg· Ö_lg und U₂₀, d«m dritten UND-

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Glied 23 die Impulsfolge O_{1 g} und O₂₀. Diese UND-Glieder bilden in bekannter Weise die logischen Produkte (UND-Verknüpfung) der an ihren zwei Eingängen anliegenden Spannungen. Ära Ausgang des ersten UND-Gliedes 21 ent- ; steht die Impulsfolge U₁-. ^u ₂0* ^am Ausgang des zweiten UND-Gliedes 22 die Impulsfolge U₁- . U₃₀, am Ausgang des dritten UND-Gliedes 23 die Impulsfolge O₁₀ . U₃₀. Diese Impulsfolgen sind ebenfalls in- das Diagramm in Pig. 5 eingetragen worden.

Die Impulsfolge U₁Q . U₂₀ ist eine Folge von Rechteckspannungen nit einer der Periodendauer T entsprechenden Pulsbreite und in Phase mit dieser Periode" T . Die Impuls-

folge O₁Q . U₂₀ hat die Pulsbreite der Periodendauer T ₊₁ und ist mit dieser Periode in Phase. Die Impulsfolge Ö.q . O₂₀ hat die Pulsbreite der Periodendauer T_n+2 und ist in Phase mit dieser Periode.

Auf diese Weise gewinnt man die Steuerfunktion zur Steuerung der Zyklen in Abhängigkeit von dem Eingangssignal U^g. In der Realisierung der beschriebenen Schaltungsanordnung werden naturgemlss keine mechanischen Schalter verwendet, •ondern elektronische Schaltelemente, z.B. bipolare Transistoren oder Feldeffekt-Transistoren. Au« Gründen der Uebersichtlichkeit wurden diese nicht in die Schaltung·*

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anordnung der Fig. 4 eingezeichnet, zumal die Verwendung von Transistoren als Schalter eine dem Durchschnittefachmann geläufige Massnahme darstellt.

Um nun Fehlmessungen zu vermeiden, die beispielsweise dann entstehen, wenn das Eingangssignal nicht kontinuierlich anfällt, muss eine jeweils laufende Messung in einem geeigneten Zeitpunkt abgebrochen werden. Diese Massnahme muss durch das zu messende Signal selbst gesteuert werden. Um dies zu erreichen, wird dem Hilfseingang E., des BinKrzählers Z die Ausgangsspannung des RS-Flipflop 17 (Pie· 2} zugeführt.

Wie im Vorstehenden erläutert, ist der Ausgang A._ des RS-Flipflop 17 hoch gesetzt, solange das Eingangssignal U-

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in der vorangegangenen Periode den Diskriminationspegel U überschritten hat. Der RS-Flipflop 17 fällt aber auf seinen Ausgangszustand zurück, wenn diese Bedingung nicht mehr erfüllt ist. Das Zurückfallen auf den Ausgangszustand bedeutet aber, dass der Zähler Z auf Null zurück gestellt wird. Dies wiederum hat zur Folge, dass das logische Produkt Ö.q . U₂₀ der Spannungen an den Ausgängen A^. und A₂₀, gebildet durch daa dritte UND-Glied 23 den Schalter S. sohliesst und damit der Kondensator C. entladen wird. Gleichseitig sind die Schalter 3, und S^ geöffnet. Es kann also ·

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weder der Integrator I geladen werden, noch kann die Integratorspannung U«, an den Haltekreis H weitergegeben werden. Eine Fehlmessung bei fehlendem Eingangssignal wird dadurch ausgeschaltet. Diese Eigenschaft ist andererseits notwendig, wenn die Periodendauer oder die Frequenz von elektrischen Signalen mit statistischen Anplitudenschwankungen bestimmt werden soll, wobei nur die Signale erfasst werden sollen, die einen bestimmten Pegel überschreiten.

Wie in der Einleitung erwähnt, finden die oben beschriebenen Messeinrichtungen eine bevorzugte Ar.v/endung in Radar-Doppler-SySternen. Das Doppler-Signai ist, - wenn nan von einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit ausgeht -•in« Wechselspannung, deren Amplitude statistisch schwankt. Ia Fokussierungsvolumen fällt die Intensität des Lichtes vom Zentrum her nach aussen hin stark ab. Dadurch haben die von den das Fokussierungsvolumen durchlaufenden Teilchen gestreuten Doppler-Signale grosser« oder kleiner· Amplituden, je nach dem, ob das streuende Teileben mehr das Zentrum oder die Randzone dos Messvolumen« durchltuft. Eine weitere Ursache der statistischen Schwankungen der Signal-Anplltuden ist in der Tatsache zu sehen, dass die •treuenden Teilchen selbst das Messvolumen in willkürlicher Aufeinanderfolge durchsetzen.

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Der erstgenannte Effekt kann nun benutzt werden, um das an sieh durch das Foküssierungsvolumen des Laser-Lichts festgelegte Messvolumen auf elektronischem Wege zu verkleinern, indem nur Doppler-Signale ausgewertet werden, i deren Amplitude einen bestimmten Pegel Überschreiten. Zur Lösung dieser Aufgabe kann nun in vorteilhafter Weise die in Fig. 2 und Fig. 4 bzw. Fig. 1 vorgeschlagene Einrichtung herangezogen werden. Dies soll nachstehend erläutert werden·

In Fig. 6 ist ein in Richtung ν strömendes Medium 30 dargestellt, v.-elches mit. dem Licht eines Dauerstrich-Laser3 31 beleuchtet wird. Eine Blende 32 begrenzt den Laserstrahl und eine Linse 34 fokussiert ihn auf das Volumen F innerhalb der Flüssigkeit. Das Volumen F dehnt sich senkrecht zum Laserstrahl in Richtung r aus.

Vom Volumen F tritt ein Teilstrahl ungestreut tür Linse aus, während ein gestreuter Teilstrahl tür Linse 35 austritt. Die Linsen 34 und 35 fokussieren die Teilstrahlen auf den Detektionsteil einer Photodiode PD, nachdem die Teilstrahlen durch den Teiler 36 gelaufen, bzw. an diesem und den Spiegeln 37» 38 reflektiert worden sind. Ausserdem ist noch «ine Blende 39 vorgesehen (für die Begrenzung des Streu-Strahlers).

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Die an der Photodiode PD entstehenden Doppler-Signal U- werden über einen Verstärker der Frequenzmesseinrichtung 40 zugeführt.

Ee ergeben sich dann die in Fig. 7 dargestellten Verhältnisse :

In Fig. 7 links ist die Intensität des Lichts in der Brennebene des Fokussierungsvolumens F schematisch dargestellt. Es i3t ersichtlich, wie die Intensität mit zunehmendem Abstand r vom Zentrum des Fokussierungsvolumens stark abninrst. Die Amplituden der an der Photodiode PD (Fi£. 5) entstehender. Keterodynsignale sind dann, wie ersichtlich, umso grosser, je kleiner der Abstand r des streuenden Teilchens vom Zentrum des Fokuseierungsvolunens ist. Da der Durchlauf streuender Teilchen durch das Fokussierungsvolumen statistisch ist, ergeben sich über der Zeit t statistische Amplitudenverteilungen, wie in Pig. 7 rechts gezeigt. Aue der Fig. 7 rechts, die nach einem gemessenen Oszillogramm gezeichnet ist, ergibt sich auch, dass die Frequenzen für Signale kleiner Amplituden verschieden sind von der Frequenz von

Signalen mit grosser Amplitude. Dies rührt daher, da·· die streuenden Teilchen mit grossen Werten von r bei der Messung eine andere Geschwindigkeit aufweisen als in Zentrumτ

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Stellt man nun den Diskriminatorpegelkuf U ' ein, so werden nur die Signale der Frequenzmesseinrichtung ¹IO verarbeitet, die von Teilchen bewirkt worden sind, die etwa durch ein Zentralgebiet mit der Ausdehnung R- ge- , laufen sind. Dieses Zentralgebiet stellt dann das wirk same Messvoluraen dar. Stellt man hingegen den Pegel auf U_Q ein, so erfasst nan auch Signale von Teilchen, die f das Fokussierungvolumen in Bereich JL durchlaufen haben. Jedesmal wird durch die elektronische Anplituden-Diskrimination das Kessvolumen aber kleiner als das Pckissierungs-Volumen F gemacht.

Die in Fig. 2 beschriebene Schaltungsanordnung lässt sich in Verbindung mit einer konventionellen Frequenzr.esseinrichtung zur exakten und schnellen Messung von Einzel-Perioden oder von Mittelwerten Ober mehrere Perioden des Eingangssignals verwenden.

Zu diesen Zweck ist der Vorwahlzähler 18 vorgesehen. Dieser wird vor Beginn der Messung auf Null gestellt, der Schalter S₂ ist in der Stellung "preset¹¹. Bei geschlossenem Startschalter S. bleibt der Ausgang A₁₈ des Vorwahlzahlers hoch und ermöglicht so den Durchgang von U^-Impulsen durch das UND-mied 12. Nach Erreichen der vorgewählten Anzahl von Perioden sperrt das UND-Glied 12. Die Summe der Dauer '

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aller U,₇-Impulse ist dann gleich der Gesamtdauer der vorgewählten Anzahl der Perioden des Eingangssignal« Ug mit einer Signalamplitude grosser als der am Komparator 2 eingestellte Pegel U . Zur Weiterverarbeitung bieten sich zwei Möglichkeiten an:

a) Digital - die Gesamtdauer der U,~-Impulse wird in einem Summenzähler aufsummiert und durch die Anzahl der Zeitmarkenimpulse U. dividiert«

^D) Analog - die U₁₇-Impulse werden einem Inegrator zugeführt, der während aer Pulsdauer der U₁₇-Impulse aufgeladen wird. Die erreichte Integratorspannung - sie ist der Pulsdauer direkt proportional - muss dann nur noch durch die Anzahl der U,^-Impulse dividiert werden.

Beide Möglichkelten der Weiterverarbeitung« sei es die analoge oder digitale Methode sind bekannt. SI· werden aus diesem Grund· nicht näher erläutert.

Die oben beschriebene Arbeitswelse eignet sich insbesondere zum schnellen Ausmessen konstanter Frequenzen oder zur Untersuchung von Frequenzschwankungen.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung der Periodendauer einen bestimmten, einstellbaren Pegel überschreitender elektrischer Signale mit statistisch schwankenden Signalamplituden, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Nulldurchgang des Eingangssignale (Ug)» wenn dieses in der dem Nulldurchgang voran- gegangenen Halbperiode des Eingangssignals (U_£) den genannten Pegel (U ) Überschritten hat, aus dem Eingangssignal ein Zeltmarkensignal (U₁^) abgeleitet wird, das die Anzahl der Perioden des Eingangssignals (U,.) angibt, die den genannten Pegel (U ) überschritten haoen, dass aus dem Eingangssignal ein Steuersignal (U₁₇) abgeleitet wird, das die gesamte Dauer der Perioden des Eingangssignals angibt, die den genannten Pegel (U₀) überschritten haben, dass das Zeitmarkensignal(U,g) zur Bestimmung seiner Perlodendauer einer Pe-

P riodendauer-Messelnrichtung (4) zugeführt wird, und dass das

Steuers jnal (U₁₇) den HiIf«eingang (E_u) des ZKhlers<Z) der Periodendauer-Messeinrichtung (4) zugeführt wird, wo das besagte Steuersignal (U₁₇) den Zlfhler (Z) In Abhängigkeit von seinen logischen Pegel einschaltet und auf Null setzt.

2. Verfahren zur Messung der Periodendauer einen bestimmten,

einstellbaren Pegel überschreitender elektrischer Signale

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mit statistisch schwankenden Signalamplituden, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Nulldurchgang des Eingangssignals (U-), wenn dieses in der dem Nulldurchgang vorangegangenen Halbperiode des Eingangssignals (U«) den genannten Pegel (U_Q) überschritten hat, aus dem Eingangssignal ein Zeitmarkensignal (U₁^) abgeleitet wird, das die Anzahl der Perioden des Eingangssignals (Ug) angibt, die den genannten Pegel (U_Q) überschritten haben, dass aus dem Eingangssignal (U₁,) ein Steuersignal (U, „) abgeleitet

t if

wird, das die gesamte Dauer der Perioden des Eingangssignals angibt, die den genannten. Pegel (U ) überschritten haben, und dass aus dem Steuersignal (U₁₇), unter Zuhilfenahme des Zeitmarkensignals (U₁₀), die mittlere Periodendauer einer mittels eines VorwahlZählers (18) einstelloaren Anzahl von Perioden des Eingangssignals (U-) bestimmt *ird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass erste Mittel (1,2,7,8, 9,10,11,12,13,14,16) zur Ableitung des Zeitmarkensignals (U₁₆) und zweite Mittel (1,2,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17) zur Ableitung des Steuersignals (U₁₇) aus dem Eingangssignal (U_£) vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass •in erster Komparator (1), dessen Vergleichs«ingang auf

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Massepotential liegt, mit einem ersten Schmitt-Trigger (7) verbunden ist, dass an den msaebaax Ausgang (A„) des ersten Schmitt-Triggers (7) ein erster monostabiler Multivibrator (9) angeschlossen ist, dass an den zweiten Ausgang (A₇) des ersten Schmitt-Triggers (7) ein zweiter monostabiler Multivibrator (10) angeschlossen ist, dass der erste Ausgang (A ) des ersten monostabilen Multivibrators (9) mit dem R-EIn- ψ gang eines ersten Set~Reset-Flipflop (14) verbunden ist, dass der erste Ausgang (A,^) des ersten Set-Reset-Plipflop (14) mit dem ersten Eingang (E.g) eines ersten UND-Glieds (l6) und der zweite Ausgang (A-, „) ^des ersten Set-Reset-Plipflop

(14) mit dem ersten Eingang (E,,-) eines zweiten UND-Glieds

(15) verbunden ist, dass die zweiten Eingänge (E₁^E,c) ^der UND-Glieder (16,15) parallel geschaltet und dem Ausgang (A₁₀) des genannten zweiten monostabilen Multivibrators (10) verbunden sind, dass der Ausgang (A,/-) des ersten UND-Glieds

(16) mit dem S-Eingang eines zweiten Set-Reset-Flipflop (17) und der Ausgang (A,,.) des zweiten UND-Glieds (I5) mit dem R-Eingang des geannten zweiten Set-Reset-Plipflop (17) verbunden sind, dass ein zweiter Komparator (2), dessen Vergleichseingang mit einer in ihrer Spannung einstellbaren Spannungsquelle (6) verbunden ist, mit einem zweiten Schmitt-Trigger (8) verbunden ist, dessen Ausgang (Ag) mit dem Eingang eines dritten monostabilen Multivibrators (H) verbunden ist, dass der Ausgang (A₁₁) des geannten Multivibrators (11).

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mit dem ersten Eingang (E,₂) eines dritten UND-Glieds (12) verbunden ist, wobei der zweite und der dritte Eingang (E,₂ u. E,p) des dritten UND-Glieds (12) parallel geschaltet
und mit einer weiteren Spannungsquelle (13) verbunden sind, und dass der Ausgang (A,₂) des dritten UND-Glieds (12) mit dem S-Eingang des genannten ersten Set-Reset-Flipflop (14) verbunden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schalter (S,) in der Verbindungsleitung zwischen der Spannungsquelle (IJ) und dem zweiten Eingang (E₁₂) ^des dritten UND-Glieds (12) vorgesehen ist, welcher Schalter
als Startschalter dient.

o. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5* dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorwahlzähler (18) vorgesehen ist, dessen Eingang (E, q) mit dem Ausgang (A-,g) des ersten UND-Glieds (16) und dessen Ausgang (Ajo) über einen zweiten Schalter (S₂) mit
dem dritten Eingang (E₁₂) des dritten UND-Glieds (12) verbunden ist.

7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2.
zur Erhöhung der räumlichen Auflösung bei Laser-Doppler-Strömungssonden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung des Doppler-Signals nur die Periodendauer der

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Signale ermittelt wird, deren Signalamplituden einen bestimmten, einstellbaren Pegel (U ) überschreiten

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie,

Or. Kurt Winkler

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