DE2109894A1 - Zeitintervallmessanordnung - Google Patents

Description

Patentanwälte DipL-mr. R. ar. et ζ mm.

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β München 22, Stokiedorfctr.'«4ΐ0-ΐ6.720Ρ 2.3.1971

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

ZeitintervallßieSanordnung

Die Erfindung betrifft eine Zeitintervallmeßanordnung, die insbesondere direkt in digitaler Form anzeigt, d.h. eine einem zu messenden Zeitintervall proportionale Zahl angibt, wobei das Zeitintervall durch zwei aufeinanderfolgende elektrische Impulse in zwei verschiedenen Kanälen definiert ist.

Es ist bereits bekannt für eine genaue Messung von Zeitintervallen, öie von zwei elektrischen Impulsen begrenzt sind, die zu Zeitpunkten t- und t₂ abgegeben werden, jeden dieser Impulse in einer Koaxialleitung umlaufen zu lassen, die als geschlossener Stromkreis an einen Impulsregenerator angeschlossen 1st. Die Leitung, in der der zum Zeitpunkt t₂ abgegebene Impuls umläuft, ist kurzer als die Leitung in der der zum Zeitpunkt tabgegebene Impuls umläuft, so da/3 der zweite Impuls nach und nach den ersten Impuls einholt. Wenn die regenerierten Impulse gleichphasig sind, schaltet eine Koinzidenzschaltung die Regeneratoren ab. Das findet nach einer Zahl von Umläufen des

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zweiten Impulses statt, die proportional dein zu messenden Zeitintervall tp - t ist; und diese Zahl wird in einer geeigneten Einrichtung aufgezeichnet.

Diese bekannte Anordnung, die auf dem Nachweis der Koinzidenz von schmalen Impulsen beruht, "erfordert jedoch, daß diese Impulse groß bzw. breit genug sind, damit ganz sicher eine Koinzidenz festgestellt wird, so daß eine Koinzidenz zwischen dem hinteren Teil des einen Impulses und dem vorderen Teil des anderen Impulses entstehen kann. Außerdem spielt die Vorderflanke des vorlaufenden Impulses eine aktive Rolle, und ihre zeitliche Entwicklung ist nicht unbedingt dieselbe wie die' der Vorderflanke des späteren Impulses. Die Meßgenauigkeit dieser Anordnung.ist deshalb durch die Schwankungen der Größe und der Form des vorlaufenden Impulses bestimmt, wobei diese Schwankungen nicht kompensiert werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, trotz Überwindung dieser Schwierigkeiten gleichfalls den Umlauf von den Zeitpunkten t^ und tp zugeordneten Informationen in zwei geschlossenen Stromkreisen mit sehr benachbarten Umlaufzeiten auszusetzen.

Eine Zeitintervallmeßanordnung zur Messung von Zeitintervallen, die durch einen ersten und einen darauffolgenden zweiten elektrischen Impuls definiert sind,, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen vom ersten Impuls ansteuerbaren ersten Generator für fortlaufende Rechtecksignale einer ersten Periode, durch einen vom zweiten Impuls ansteuerbaren, zweiten Generator für fortlaufende Rechtecksignale mit einer zweiten Periode, die etwas kleiner als die erste Periode ist, wobei die Vorzeichen der von den beiden Generatoren abgegebenen Signale entgegengesetzt sind, durch eine Detektoreinriehtung zum Erfassen einer Phasenumkehr der Vorderflanken dieser Signale, und durch eine Zählstufe, die durch einen der Generatoren hochgezählt

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und durch die Detektoreinrichtung angehalten wird, wenn eine Phasenumkehr der Vorderflanken festgestellt worden*ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Zeitintervallmeßanordnung; und Fig. 2 ein Impulsdiagramm für das Ausführungsbeispiel von Fig. 1.

Die in Fig. 1 abgebildete ZeitmeSanordnung erlaubt die Messung von Zeitintervallen tp - t-, die durch zwei kalibrierte Spannungssprünge E₁ und E₂ definiert sind, wobei der Spannungssprung E. negativ ist und zum Zeitpunkt t- abgegeben wird., während der Spannungssprung Ep positiv ist und zum Zeitpunkt tp auftritt. Die Zeitmeßanordnung von Fig. 1 umfaßt folgenden Baugruppen:

einen ersten Generator 3 für fortlaufende elektrische Rechtecksignale mit negativem Vorzeichen und der Periode T-, der durch den Spannungssprung E₁ getriggert wird;

einen zweiten Generator 4 für fortlaufende elektrische Rechtecksignale mit positivem Vorzeichen und der Periode Tp, der durch den Spannungssprung Ep getriggert wird, wobei die Periode Tp etwas kleiner als die Periode T₁ ist;

eine Differentiationskapazität 5, die die vom Generator 4 kommenden Rechtecksignale in schmale, abwechselnd positive und negative Impulse umsetzt, wobei die positiven Impulse den Vorderflanken dieser Signale entsprechen;

eine Schwellenwert-Detektorsehaltung 6, an deren Eingang die Rechtecksignale der Periode Tj und die schmalen Impulse der

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Periode T überlagert werden und die anspricht, wenn die Summe von Signal und Impuls einen Schwellenwert erreicht; das ist zu einem Zeitpunkt der Fall, in dem die Phase der Vorderflanken der beiden Rechtecksignaltypen sich gerade umkehrt, d.h., wenn zum erstenmal die Vorderflanke eines Signals der Periode T_p sich vor der Vorderflanke eines Signals der Periode T- befindet; diese Betriebsweise setzt voraus, daß folgende Bedingung erfüllt wird:

Τ_χ/2 y, (t₂ - t_x)

max

wobei (t_o - t_n) _Ώ den maximalen Wert der zu messenden Zeit-

d. X. luo. J\

Intervalle darstellt, während f die Dauer der schmalen Impulse der Periode T bezeichnet, daher bestimmt das zu messende Zeitintervall die Wahl der Größe von T,; und

eine Zählstufe ¹J, die durch den Generator 4 ausgelöst und durch die Detektorschaltung 6 abgeschaltet wird, wenn der Nachweis der Phasenumkehr vorgenommen worden ist.

Der Generator 5 der negativen Rechtecksignale mit der Periode T₁ wird durch einen Viertelwellenlängen-Koaxialkabeloszillator gebildet, dessen beide Hauptbestandteile eine Tunneldiode 8 und ein kurzgeschlossenes Koaxialkabel 9 sind, das eine Länge L, proportional T₂/4 hat. Die Anode der Tunneldiode 8 ist geerdet, während ihre Kathode einerseits an den Mittelleiter des Koaxialkabels 9 über einen Widerstand 10 und andererseits an eine (nicht abgebildete) Quelle negativer Vorspannung über einen Regelwiderstand 11 angeschlossen ist. Der Eingang, an dem der Spannungssprung E eingespeist wird, ist über einen Widerstand 12 geerdet und mit der Kathode der Diode 8 über einen Widerstand 13 verbunden. Ein Widerstand 14 verbindet den Ausgang dieses Oszillators mit dem Eingang der Detektorschaltung 6.

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Der Generator 4 für die positiven Rechtecksignale der Periode T₂ ist gleichfalls durch einen Viertelwellenlängen-Koaxialkabeloszillator gebildet, der den gleichen Aufbau wie der vorher beschriebene Koaxialkabeloszillator hat. Seine beiden Hauptbestandteile sind eine Tunneldiode 15 und ein kurzgeschlossenes Koaxialkabel 16 mit einer Länge Lp proportional zu T_p/4. Die Kathode der Tunneldiode I5 ist geerdet, während ihre Anode einerseits an den Mittelleiter des Koaxialkabels l6 über einen Widerstand I7 und andererseits an eine (nicht abgebildete) Quelle positiver Vorspannung über einen Regelwiderstand l8 angeschlossen ist. Der Eingang, an dem der Spannungssprung E_p eingespeist wird, ist über einen Widerstand 19 geerdet und mit der Anode der Diode I5 über einen Widerstand 20 verbunden. Ein Widerstand 21 verbindet den Ausgang des Generators 4 mit dem Eingang der Detektorschaltung 6 über die Differentiationskapazität 5.

Die Schwellenwertdetektorschaltung 6 hat als wichtiges Glied eine Tunneldiode 22, deren Kathode geerdet ist, während die Anode einerseits an eine Quelle positiver Vorspannung (nicht abgebildet) über einen Widerstand 2j5 und andererseits an Masse über einen Widerstand 24 und eine Drossel 25 in Reihe damit angeschlossen ist.

Die Ansteuerung der Zählstufe 7 im Takt des Generators 4 wird durch ein Signal gewährleistet, das von der Anode der Tunneldiode 15 abgenommen und über einen Widerstand 26 übertragen ' wird., Das Abschalten der Zählstufe wird durch ein an der Anode der Tunneldiode 22 abgenommenes Signal gesteuert und über einen Widerstand 27 übertragen.

Die beschriebene Zeitintervallmeßanordnung arbeitet wie folgt ι

Der Spannungssprung E. (Fig. 2a) steuert im Zeitpunkt t₁ den ersten Oszillator j5 an, der an die Detektorschaltung 6 eine

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Folge von Rechtecksignalen mit negativem Vorzeichen und der Periode T₁ abgibt (Fig. 2b). Danach steuert der Spannungssprung E₂ (Fig. 2c) im Zeitpunkt tp den zweiten Oszillator 4 an, der eine Folge von Rechtecksignalen mit positivem Vorzeichen und der Periode T₂ abgibt (Fig. 2d), die in der Zählstufe 7 weggespeichert und über die Kapazität 5 in abwechselnd positive und negative, schmale Impulse umgesetzt werden (Fig. 2e).

Der Generator 4 wird zum Zeitpunkt t_p so angesteuert, dai3 folgende Bedingung erfüllt ist:

T/P /i- +· f- -L "T" ^/ d. '/ tg - T^₁ +L)

wobei die Vorderflanken der negativen Signale mit der Periode T₁ den Vorderflanken der positiven Signale mit der Periode T_p voreilen, jedoch verringert sich diese Voreilung allmählich, und eine Umkehr der Phase dieser Vorderflanken tritt ein. Wenn zum erstenmal die Vorderflanke eines Signals der Periode T₂ vor der Vorderflanke eines Signals der Periode T₁ erscheint, findet am Eingang der Detektorschaltung β eine Überlagerung eines schmalen positiven Impulses mit einem Anteil des Nullpegels statt, der die beiden Rechtecksingale trennt (Fig. 2f). Die Tunneldiode 22 wird daher umgeschaltet und unterbricht das von der Stufe 7 vorgenommene Zählen der vom Generator 4 abgegebenen Signale. Das-Umschalten findet zu einem Zeitpunkt t^, statt, zu dem die Zählstufe 7 eine Zahl N gemäß folgender Gleichung speichert:

to - t. = N (T₁ - Tp) + (T₁ - Τ«).

Diese Zahl kann entweder durch Leuchtröhren angezeigt oder durch ein Druckwerk ausgedruckt werden, so daß der Wert des Zeitintervalls t₂ - t. mit einem Absolutfehler gleich der Differenz zwischen den Perioden der beiden Oszillatoren erhalten werden kann.

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Daher bestimmt das zu messende Zeitintervall die Wahl des Werts von T-, d.h. die gewünschte Genauigkeit hängt von T» - T_? ab. Diese Genauigkeit kann besser als IO psec bei Arbeitsfrequenzen von etwa 25 MHz sein.

Es ist also erkennbar, daß die erfindungsgemäße Zeitintervallmeßanordnung eine Meßgenauigkeit besitzt, die beträchtlich größer als die von Meßanordnungen ist, diedie Koinzidenz von schmalen Impulsen erfassen und deren Genauigkeit vor allem durch die Schwankung der Größe dieser Impulse begrenzt ist. Tatsächlich beschränkt bei der erfindungsgemäßen Anordnung allein die-Schwankung der Periodendifferenz T. - Tp die Genauig- i keit, jedoch ist ersichtlich, daß wegen des identischen Aufbaus der beiden Oszillatoren und den fast gleich großen Perioden die Differenz T, - Tp praktisch keinen Schwankungen unterliegt. Außerdem ist die erfindungsgemäße Zeitintervallmeßanordnung sehr einfach, sie enthält nämlich nur drei aktive Baugruppen, und die (lediglich zwei) Stellvorrichtungen (die Widerstände 11 und 18) sprechen besonders schnell an.

Es versteht sich, daß auch jeder andere Oszillatortyp für die erfindungsgemäße Meßanordnung verwendet werden kann, insbesondere Halbwellenoszillatoren, wie man sie z.B. erhält, indem man durch ein Koaxialkabel ein monolithisches, integriertes ECL-Gatter kurzschließt. Außerdem kann die Zählstufe unabhängig * durch den einen oder den anderen der Oszillatoren angesteuert werden, die den Eingängen E- und Ep vorgeschaltet sind und dazu dienen, die Meßanordnung der Messung eines Zeitintervalls anzupassen, das durch zwei Impulse irgendwelcher Form und irgendwelchen Pegels definiert ist.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Ze it intervallmeß anordnung zur Messung von Zeitintervallen., die durch, einen ersten und einen darauffolgenden zweiten elektrischen Impuls definiert sind, gekennzeichnet durch einen vom ersten Impuls ansteuerbaren, ersten Generator (3) für fortlaufende Rechtecksignale einer ersten Periode (T,), durch einen vom zweiten Impuls ansteuerbaren, zweiten Generator (4) für fortlaufende Rechtecksignale mit einer zweiten Periode (T₀), die etwas kleiner als die erste Periode (T,) ist, wobei die Vorzeichen der von den beiden Generatoren abgegebenen Signale entgegengesetzt sind, durch eine Detektoreinrichtung (6) zum Erfassen einer Phasenumkehr der Vorderflanken dieser Signale, und durch eine Zählstufe (7), die durch einen der Generatoren hochgezählt und durch die Detektoreinrichtung angehalten wird, wenn eine Phasenumkehr der Vorderflanken festgestellt worden ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren (J, 4) Koaxialkabeloszillatoren sind.
3. j5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die α Koaxialkabeloszillatoren (3, 4) als aktives Element eine Tunneldiode (8, 18) haben.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialkabeloszillatoren (J, 4) als aktives Bauelement ein ECL-Gatter haben.

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5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (6), durch die die Phasenumkehr der Vorderflanken der von den beiden Generatoren abgegebenen Rechtecksignale erfaßt werden kann, aufweist eine Kapazität (5)t die die Rechtecksignale der zweiten Periode (Tp) in schmale, abwechselnd positive und negative Impulse umformt, und eine Tunneldiode (22), in die die Rechtecksignale der ersten Periode (T,) und die schmalen Impulse eingespeist werden.

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