DE2148323C

DE2148323C - Verfahren zur digitalen Quadratur des Verhältnisses zweier Frequenzen, insbe sondere bei der Gewichtsmessung mit Saiten waagen

Info

Publication number: DE2148323C
Application number: DE19712148323
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Phys Dr 3400 Gottingen Berg
Original assignee: Sartorius Werke GmbH
Current assignee: Sartorius Werke GmbH
Filing date: 1971-09-28
Publication date: 1973-07-19

Description

Ein Zähler 3 schließlich zählt während T₁ und T₂ die Frequenz Z₁ und zeigt dann die gesuchte Impulszahl Z₃ an:

Z₃ = (Ά + T₂)-J₁

f²

Es sind also drei Zähler nötig. Außerdem muß der Zähler 1 einen Vorwärts- und Rückwärtseingang haben, die gleichzeitig benutzt werden. Dies bedingt einen etwas größeren Schaltungsaufwand, damit auch koinzidente Impulse auf den beiden Eingängen richtig gezählt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besieht darin, ein Verfahren zu dem oben erläuterten Zweck zu schaffen, welches mit nur zwei Zählern auskommt. Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren zur digitalen Quadratur des Verhältnisses zweier Frequenzen/, und /₂ mit zwei aufeinanderfolgenden Zählintervallen T₀ und T_M, wobei T₀ gleich der iV-fachen Periodendauer der Frequenz/₂ ist und T_M gleich der Zeit ist, in der die während T₀ eingezählten Impulse der Frequenz/, bis auf 0 durch die Impulse der Frequenz/₂ zurückgezählt werden unter Verwendung von Zählwerken und besteht darin,

daß man fiber ein Steuerglied mit zwei stabilen Zuständen und eine Torschaltung während TJ, in einem ersten Zähler die Impulse der Frequenz/₂ erfaßt, und in einem zweiten Zähler die. Impulse der Frequenz, Z₁ aufaddiert, daß der erste Zähler nach N Impulsen die Nullstellung erreicht und am Ausgang 0 ein Signal abgibt, welches das Steuerglied in seine zweite stabile Lage bringt und dadurch das Zählintervali T₀ beendet und das Zählintervall T_M beginnt, in welchem durch das Steuerglied der zweite Zähler auf Subtränieren gestellt ist und über die Torschaltung Impulse der Frequenz f₂ erhält, während der erste Zähler die Impulse der Frequenz/, aufaddiert, und daß man bei Erreichen der Nullstellung im zweiten Zähler die Torschaltung schließt und damit im ersten _!5 Zähler das Ergebnis zur Verfügung hat.

Ein besonderer zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man die Vorwärts-Rückwärts-Zählung zeitlich trennen kann.

Besonders zweckmäßige Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den hier nicht erwähnten Ansprüchen.

Im folgenden wird unter Hinweis auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel erläutert, wobei die Zeichnung die wesentlichsten Merkmale des Ausführungsbeispiels in Form eines Schaltplanes zeigt.

Die Schaltung weist neben den beiden Zählwerken A und B eine Torschaltung 1—6 und einen bistabilen Flip-Flop FF auf, der die Torschaltung und die Umschaltung Addition-Subtraktion des Zählers B _}0 steuert.

Durch einen Startimpuls wird FF in eine stabile Lage »Addition« gebracht und im Zähler A die Zahl — N gesetzt (-N entspricht 10" - N, wobei η die Zahl der Dekaden des Zählers ist). Der Zähler B steht auf 0. Durch FF wird der Zähler ß auf Addition geschaltet und die Tore 1 und 5 geöffnet, so daß Zähler ß die Impulse der Frequenz /, und Zähler A die Impulse der Frequenz/₂ erhält. Zähler A erreicht nach N Impulsen, also nach der Zeit T₀ = ^ . die

/2

Zahl 0 und gibt ein Signal ab, das FF in die andere stabile Lage »Subtraktion« umwirft. Im Zähler ß steht dabei die Zahl Z_B = T₀ ·/,. In Stellung Subtraktion «ehaltet FF den Zähler ß auf Subtraktion, schließt die Tore 1 und 5 und öffnet die Tore 2 und 4, da gleichzeitig der Zähler B das Signal Z_n > 0 abgibt. Falls f_x = 0 sein sollte, also Z_n = 0, bleiben alle Tore geschlossen, und im Zähler A kann das Ergebnis Uj\ =0 abgelesen werden. Im Normalfall /, 4= 0 beginnt eine neue Zählzeit T_M, in der die Impulse der Frequenz/₂ im Zähler ß vom Zählerstand Z„ subtrahiert werden und die Impulse der Frequenz/, im Zähler A von 0 beginnend aufaddiert werden. Die Zählzeit T_M endet bei Erreichen von 0 im Zähler,ß:

Im Zähler A steht als Ergebnis

Es bleibt bis zum Beginn eines neuen Zyklus im Zähler A stehen. Der Zähler B steht auf 0 und ist damit für die nächste Messung in der richtigen Stellung.

Ein neuer Zyklus beginnt, wenn durch einen Startimpuls der Zählerstand des Zählers A auf -JV gesetzt wird und FF wieder auf Addition gesetzt wird. Zwischen zwei Zyklen kann das Ergebnis aus dem Zähler A ausgelesen und eventuell weiterverarbeitet werden. Während der Zeit T₀ und T_M liegt ein Signal am Ausgang D, das ein Auslesen aus dem Zähler A über in der Figur nicht gezeichnete, bekannte Schaltungen verhindert.

Braucht man für die Auswertung eine zusätzliche additive Konstante K, so wird beim Start der Zähler A auf - JV + K gesetzt und der Ausgang so geschaltet, daß beim Zählerstand K ein Signal an FF abgegeben wird. Der Zähler A steht dann bei Beginn der Meßzeit T_M auf K und zeigt am Ende von T_M an:

/2

Ti

60 K kann dabei positiv oder negativ sein.

Bei einer Saitenwaage kann die Eingabe dieser Konstanten K zur digitalen Unterdrückung eines Taragewichtes dienen.

Bei jeder Zählung von praktisch regelmäßigen Impulsen tritt eine Unsicherheit von ± 1 Zählschritt auf, wenn die Meßzeit nicht mit der Impulsfolge synchronisiert ist. Bei der beschriebenen Schaltung wird der Beginn von T₀ durch das Startsignal gegeben, das Ende von T₀ und damit auch der Anfang von T_M ist mit /₂ synchronisiert, ebenso das Ende von T_M.

T_M ist also — bis auf den Triggerfehler — exakt = —■

N ± 1
während T₀ nur durch T₀ = — ^-- bestimmt ist. Beim Ergebnis Z_n kommt also zu der Unsicherheit von ± 1 Zählschritt auf Grund der fehlenden Synchronisation des Meßintervalls T₀ und der Zählfrequenz Z₁ die Unsicherheit in der Dauer des Meßintervalls T₀ hinzu. Diese Unsicherheit von T₀ läßt sich aber dadurch beseitigen, daß das Startsignal erst beim Eintreffen eines /₂-Impulses wirksam wird. Dabei ist ep beliebig, ob dieser /₂-Impuls, der den Start wirksam werden läßt, mitgezählt wird oder nicht, da die Zahl N ja beliebig vorgegeben ist; wichtig ist nur, daß die Schaltung so ausgelegt ist, daß sie immer in der gleichen Weise verfährt. In der Zeichnung ist durch ein RC-Glied vor dem Tor 8 eine Verzögerung angedeutet, die dafür sorgt, daß der Zähler A das Startsignal nach dem Synchronisierimpuls erhält, diesen also nicht mitzählt. Die Verzögerung muß größer als die Laufzeit des /₂-Impulses durch die Tore 5 und 6 sein, aber kleiner als die minimale Periodendauer der Frequenz f₂.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur digitalen Quadratur des Verhältnisses zweier Frequenzen/! und f₂ mit zwei aufeinanderfolgenden Zählintervallen T₀ und T_u, wobei T₀ gleich der N-fachen Periodendauer der Frequenz /₂ ist und T_M gleich der Zeit ist, in der die während 7Jj eingezählten Impulse der Frequenz./! bis auf 0 durch die Impulse der Frequenz /₂ zurückgezählt werden, unter Verwendung von Zählwerken, insbesondere bei der Gewichtsmessung mit Saitenwaagen, dadurchgekennze ich η et, daß man über ein Steuerglied (FF) mit zwei stabilen Zuständen und eine Torschaltung (1—6) während T₀ in einem ersten Zähler (A) die Impulse, der Frequenz/₂ erfaßt, und in einem zweiten Zähler (B) die Impulse der Frequenz/, aufaddiert, daß der erste Zähler (A) nach N Impulsen die Nullstellung erreicht und am Ausgang 0 ein Signal abgibt, welches das Steuerglied (FF) in seine zweite stabile Lage bringt und dadurch das Zählintervall 7^, beendet und das Zählintervall T_M beginnt, in welchem durch das Steuerglied der zweite Zähler (B) auf Subtrahieren gestellt ist und über die Torschaltung (1—6) Impulse der Frequenz /₂ erhält, während der erste Zähler (Xi die Impulse der Frequenz/, aufaddiert, und daß man bei Erreichen der Nullstellung im zweiten Zähler (B) die Torschaltung (1 —6) schließt und damit im ersten Zähler (A) das Ergebnis zur Verfugung hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man beim zusätzlichen Verwerten einer additiven Konstanten K den ersten Zähler (A) auf -N + K setzt und dieser beim Erreichen von K einen Impuls an das Steuerglied (FF) abgibt, womit am Ende der Meßzeit T_M im ersten Zähler(/4) die Summe aus K und dem MeÖergebnis zur Verfügung steht (K positiv oder negativ).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Saitenwaage die Konstante K zum digitalen Taraausgleich verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Tor (7) während 7^ und T_M ein Signal abgegeben wird, das ein Auslesen des Zählerstandes im ersten Zähler (A) verhindert.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn des ersten Zählintervalls durch die Bezugsfrequenz f₂ synchronisiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Repetiervorrichtung nach Ende der Auslesung und einer eventuellen Weiterverarbeitung des Ergebnisses aus dem ersten Zähler (A) einen Startimpuls auf ein weiteres Tor (8) gibt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man mittels einer mit der Bezugsfrequenz /₂ synchronisierbaren Repetiervorrichtung nach Ende der Auslesung und einer eventuellen Weiterverarbeitung des Ergebnisses aus dem ersten Zähler (A) einen neuen Meßzyklus auslöst, indem diese den Zähler (A) auf — N bzw. — N + K setzt und das Steuerglied (FF) in seine stabile Lage »Addition« bringt.

Bei einer Saitenwaage wird eine Saite durch eine konstante Vorspannkraft V und das zu messende Gewicht G belastet und ändert dadurch ihre Eigenfrequenz proportional zur Wurzel aus der Belastung:

a = tonst.

Eine zweite Saite wird nur durch die Vorspannkraft belastet:

Durch Quadrieren des Frequenzverhältnisses ergibt sich dann das Gewicht G:

yv

Zum digitalen Quadrieren sind Verfahren bekannt, d;^ mil drei Zählwerken arbeiten. Zum Beispiel zählt ein Zähler 1 mit Vorwärts- und Rückwärtseingang während einer Zeitdauer T₁ die Differenz zwischen /, und /₂, wobei T₁ durch einen Zähler 2 bestimmt wird, der/₂ bis zu einer voreingestellten Zahl N zählt:

T=A /2 '

An T₁ schließt sich ein Zeitintervall T₂ an, in dem der Zählerstand Z₁ des Zählers 1 durch die Frequenz /₂ auf 0 zurückgezählt wird: