DE2156766A1 - Impulsdauermeßvorrichtung - Google Patents

Impulsdauermeßvorrichtung

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DE2156766A1 DE19712156766 DE2156766A DE2156766A1 DE 2156766 A1 DE2156766 A1 DE 2156766A1 DE 19712156766 DE19712156766 DE 19712156766 DE 2156766 A DE2156766 A DE 2156766A DE 2156766 A1 DE2156766 A1 DE 2156766A1
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Description

Dl. Herbert Schol«
AkteJ JHB32 099
Anmelder: N. Y. Philips' GioeilampenfabriekeB
Aid. No., PHB-?2.099
Anmeldung vom, 15. Wov. 1971 2156766
Xi.T. Philips Gloeilampenfabrieken, Eindhoven, Niederlande 11 Impulsdauermeßvorrichtung'1
Die Erfindung bezieht sich auf eine Impulsdauermeßvorrichtung, die eine Signalvergleichsschaltung enthält, die einen der zu messenden Impulsdauer entsprechenden Ausgangsimpuls liefert und die mit zwei Eingängen versehen ist, die mit je einem Signalkreis verbunden sind, deren Eingänge an den Impulseingang der Meßvorrichtung angeschlossen sind.
Die für die Impulsdauermessung angewandte Technik besteht darin, daß eine Zeitmeßvorrichtung, die z.B. durch einen Taktimpulsgenerator und einen mit diesem zusammenwirkenden Zähler gebildet wird, von der Torderflanke des betreffenden Impulses eingeschaltet und von der Hinterflanke dieses Impulses ausgeschaltet wird. Im idealen Fall wird die Zeitmeßvorrichtung zu dem Anfangszeitpunkt der Vorderflanke eingeschaltet und zu dem AngangsZeitpunkt der Hinterflanke ausgeschaltet. In der Praxis muß die Vorderflanke selbstverständlich auf einen bestimmten Pegel ansteigen, der genügt, um die Zeitmeßvorrichtung einzuschalten, und da die Vorderflanke
PHB '-SPO99 l'ss/S.' - 2 -
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eine endliche Anstiegszeit hat, wird das Einschalten der Zeitmeßvorrichtung verzögert, wodurch ein kleiner Fehler herbeigeführt wird. Auf ähnliche Weise wird das Ausschalten der Zeitmeßvorrichtung verzögert, bis die Hinterflanke des Impulses auf den Ausschaltwert abgesunken ist. Diese Technik ist besonders befriedigend und ergibt genaue Resultate, wenn die Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulsflanken in Bezug auf die Gesamtdauer des Impulses sehr kurz sind.
Bei abnehmender Gesamtimpulsdauer werden die Anstiegs- und Abfallzeiten aber stets wichtiger in Bezug auf die Gesamtdauer, während die Meßgenauigkeit abnimmt, wenn die Steilheiten der Vorder- und Hinterflanken nicht symmetrisch sind. Außerdem wird die Genauigkeit bei abnehmender Dauer in zunehmendem Maße von der Form des Impulssignals abhängig. Infolge dieser bei der Messung der Impulsdauer auftretenden Schwierigkeiten hat man für die Impulsdauer die Normaldefinition "Halbhöhen" Dauer gewählt, d.h. die Zeitdauer von dem Zeitpunkt, zu dem die ■ Vorderflanke den Halbwert ihres endgültigen Amplitudenpegels erreicht, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Hinterflanke auf den Halbwert abgesunken ist. Die Anwendung dieser .Normaldefinition verringert in erheblichem Maße die oben beschriebenen praktischen Schwierigkeiten, weil diese Definition - ungeachtet der Anstiegs- und Abfallzeiten - zutrifft.
Bekannte Verfahren zum Messen der "Halbhöhen"-Dauer (siehe die USA-Patentschrift ^ 553 593) weisen aber gewisse Nachteile auf. Die verwendeten Anordnungen sollen genau linear sein
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und die Impulshöhe soll nicht begrenzt werden.. Dies bedeutet eine Begrenzung des dynamischen Bereiches der Signalpegel,
der. mit Genauigkeit mit Hilfe der Impulsdauermeßvorrichtung gemessen werden kann. "Ferner erfordern diese bekannten Vorrichtungen eine Verzögerungsschaltung mit einer Verzögerungszeit gleich oder länger als die längste erwartete Anstiegszeit. Da diese Verzögerung auch die Hinterflanke des Impulses beeinflußt, kann die Messung nicht vor dem Ende der
Verzögerungsperiode beendet werden. Dadurch wird die Wiederholungsmeßfrequenz des Systems herabgesetzt, während die
Genauigkeit nicht beibehalten werden kann, wenn Impulse mit einer die Verzögerungszeit überschreitenden Anstiegszeit
auftreten.
Die Erfindung bezweckt, eine Impulsdauermeßvorrichtung zu
schaffen, die für einen großen dynamischen Bereich des Pegels des Eingangsimpulses geeignet ist, die im wesentlichen von der Form des Signalimpulses unabhängig ist und die sich billig und einfach herstellen läßt.
Die Erfindung besteht darin, daß die Signalvergleichsschaltung eine Schmitt-Kippschaltung ist, daß der erste Signalkreis eine direkte Verbindung ist und daß der zweite Signalkreis einen Impulsformer enthält.
Dabei spricht die Kippschaltung an, wenn das Eingangssignal eine erste Bezugsspannung (V f) um einen bestimmten Betrag (V1) überschreitet, und die zurückgestellt wird, wenn das
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Eingangssignal um einen bestimmten Betrag (Y2) unter die Bezugsspannung absinkt. -
Auf diese Weise wird der Rückstellpunkt der Schmitt-Kippschaltung mit dem Eingangssignalpegel in Übereinstimmung gebracht, so daß die resultierende Ausgangsimpulsdauer gemäß einem großen dynamischen Bereich annähernd gleich der Signalimpulsdauer ist und von der Form des Signalimpulses nahezu unabhängig ist.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Eg zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Impulsdauermeßvorrichtung
nach der Erfindung,
Fig. 2 ein zugehöriges, erläuterndes Spannungs-Zeit-Diagramm
und
Fig. 3 und 4 verschiedene Ausführungsformen des Impulsformers.
Nach Fig. 1 wird der zu messende Impuls der Klemme IP als Signaleingang für eine Schmitt-Kippschaltung 1 und für einen Impulsformer 2 zugeführt. Der Ausgang der Schmitt-Kippschaltung 1 steuert eine Zeitmeßvorrichtung 3, die aus einem 11 UND"-Gatter 4 mit zwei Eingängen und aus einem Zähler 5 besteht. An der Ausgangsklemme OP kann der Zählerzustand digital abgelesen werden. Der Ausgang des Impulsformers 2 ist mit einem Bezugsspannungseingang Vrefder Schmitt-Kippschaltung 1 verbunden. Eine Taktpulsquelle ist mit dem
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zweiten Eingang des "HRD11-Sattere 4 verbunden.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 wird nun anhand der in Fig. 2 gezeigten Spannunga-Zeit-Diagramme näher erläutert. Wie oben auseinandergesetzt wurde, wird die Schmitt-Kippschaltung gestellt, wenn das Eingangssignal die Bezugsspannung Vref um einen Betrag V1 überschreitet, während sie zurückgestellt wird, wenn das Eingangssignal um einen Betrag V^ unter den Bezugspegel Vr f absinkt. Bekanntlich kann die Zippschaltung derart ausgebildet werden, daß sie für V^ und Vg* jeden beliebigen vorher bestimmten Wert wählen kann. Fig. 2a zeigt den Verlauf des Eingangsimpuls signals 13?, der Bezugs spannung V ^ und des Ausgangssignals ST der Schmitt-Kippschaltung. In dieser Figur sind auch die Anstiegs- und Abfallzelten tr bzw* tf des Impulssignals und das Zeitintervall T zwischen tr und tf dargestellt.
Fig. 2b zeigt ein kleines Signal und ein großes Signal, wenn der Impulsformer 2 eine einfache Verzögerungsschaltung, wie z.B. eine Spule, ist. Das Eingangssignal wird um einen Betrag D von der Verzögerungsschaltung 2 verzögert, um die Bezugsspannung Vf zu erhalten.
Die Schmitt-Kippschaltung 1 kippt sofort um, wenn das Eingangs signal den Wert V^ erreüit, weil infolge der Verzögerung D die Bezugsspannung Vf an diesem Punkt gleich, null ist und nicht vonder Signalanstiegs zeit beeinflußt wird.
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-β-.,. 2Τ56766
Der Rückstellpunkt der Schmitt-Kippschaltung let von dem Eingangssignalpegel abhängig und wird erreicht, wenn das Eingangssignal um V2 Volt unter die Bezugsspannung Vref, d.h. den Pegel des verzögexten Eingangssignals, absinkt.
Wenn bei einem kleinen Signal, das gerade das Umkippen der Schaltung herbeiführt,. V^=Vg ia^t wird die Schaltung am Ende der Impulsanstiegszeit gestellt und nahezu am Ende der Impulsabfallzeit zurückgestellt, wodurch ein Ausgangsimpuls er- . halten wird, dessen Bauer nahezu gleich T + tf ist. Bei sehr großen Signalen wird die Schaltung kurz nach dem Anfang der Anstiegszeit gestellt und kurz nach dem Abfallen des Impulses zurückgestellt (weil Y^ und V2 im Vergleich zu der Impulsamplitude klein sind). Die Dauer des Ausgangssignals für große Signale ist somit annähernd gleich T + tr. Wenn tr = tf ist, liefert die Schaltung theoretisch einen Ausgangsimpuls gleich der üblichen »Halbhöhen"-Impulsdauer in dem ganzen dynamischen Bereich.
Das Ausgangssignal der Schmitt-Kippschaltung 1 kann auf ver- scHedene Weise zur Steuerung von Zeitmeßschaltungen verwendet werden, die die Dauer des Ausgangssignals messen. Die Zeit meßvorrichtung 3 stellt eine geeignete Form einer solchen Vorrichtung dar. Der Ausgangsimpuls der Kippschaltung öffnet das "UND"-Gatter 4» so daß laktimpulse während der Dauer des Impulses an den Zähler 5 weitergeleitet werden können. Das "UJMD"-Gatter 4 wird am Ende des Impulses gesperrt, wonach der Zählvorgang beendet wird. Die Zählergebnisse, die vorzugs-
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weise in digitaler Form auegelesen werden können, drücken die Dauer des Impulses direkt in Taktimpulsperioden aus. Die Genauigkeit des Systems hängt von der Taktimpulsperiode al), die naturgemäß im Vergleich zu der zu messenden Mindestimpulsdauer genügend klein gemacht werden soll, um die erforderliche Genauigkeit zu erzielen. .
Aus Fig. 2b, die ein kleines Signal zeigt, ist deutlich ersichtlich, daß, wenn die von dem Impulsformer 2 erzeugte Verzögerungszeit D kürzer als die Anstiegszeit tr ist, die Differenzspannung V1, die zum Stellen der Schmitt-Kippschaltung notwendig ist, nicht erreicht werden wird. Diese Figur zeigt den Grenzfall, in dem die Impulssignalamplitude nur gerade ν., erreicht und in dem die Anstiegszeit gerade gleich der Verzögerungszeit D ist. So ist in dem Grenzfall für das minimale Amplitudensignal die Verzögerung D gleich der maximalen Anstiegszeit, so daß die Verzögerungszeit D vorzugsweise gleich oder größer als diese maximale Anstiegszeit gewählt wird. Außerdem soll die Verzögerungszeit D selbstverständlich kürzer als die Dauer des kürzesten zu messenden Impulses sein, weil "Vref auf die maximale Amplitude des Signals ansteigen muß, bevor die Hinterflanke anfängt. Wenn Signale mit sehr langen Anstiegszeiten, wie die buckeiförmigen Signale, die manchmal bei Hochfrequenzsignalimpulsen auftreten, gemessen werden sollen, muß die Verzögerungszeit D beträchtlich verlängert werden, wodurch die Wiederholungsmeßfrequenz der Vorrichtung herabgesetzt wird. Dieser Nachteil kann z.B. durch die Anwendung anderer Ausführungsformen des Impulsformers 2 (s. Fig. 3 und 4) behoben werden. Die Figuren 3a und 4a zeigen Blockschaltbilder
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des Impulsformers 2, während die Figuren 3b und 4b die zugehörigen Spannungen bei langen Anstiegs- und Abfallzeiten zeigen.
In Mg. 3a enthält der Impulsformer 2 eine Parallel-Spannungsschwellenvorrichtung 11, ein Subtraktionsglied 12 und einen Impulsverlängerer 13. Das Impulssignal wird dem Eingang des Begrenzers 11 und einem Eingang des Subtraktionsgliedes 12 zugeführt. Der Ausgang des Begrenzers 11 wird dem anderen (subtrahierenden) Eingang des Subtraktionsgliedes 12 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Eingang des Impulsverlängerers 13 verbunden ist. Der Ausgang de& Impulsverlängerers 13 ist mit dem Bezugsspannungseingang Vref der Schmitt-Kippschaltung verbunden (s. Fig. 1). Der Begrenzer 11 begrenzt den Pegel des Impulssignals auf einen Wert gleich oder etwas größer als den Betrag V-, und das auf diese Weise erhaltene begrenzte Signal wird in dem Subtraktionsglied 12 von dem Impulssignal subtrahiert. Das Ausgangssignal des Subtraktionsgliedes 12 ist bei (i) in Fig. 3b dargestellt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß das Impulssignal Vre;f. den Betrag V^ während der Anstiegszeit überschreitet und auf diese Weise sicherstellt, daß die Schmitt-Kippschaltung unabhängig von der Anstiegszeit gestellt wird. Auf der Hinterflanke kreuzen das Impulssignal und die Bezugsspannung V * einander aber nicht, so daß das Impulssignal nicht um den Betrag V2 unter die Bezugsspannung V f absinkt, was zum Rückstellen der Kippschaltung erforderlich ist. Das Bezugssignal wird daher an seiner Hinterflanke von dem Impulsverlängerer 13 verlängert; der Verlauf der so erhaltenen Spannung ist (bei ii) in Fig. 3b
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dargestellt. Naturgemäß kann die Verzögerüngszeit auch etwas verlängert werden, um die Empfindlichkeit für kleine Signale zu verbessern und um den Impulsverlängerungseffekt zu vergrößern.
Eine geeignete Ausführungsform eines Impulsverlängerers, mit - dessen Hilfe die Abfallzeit verlängert wird, ohne daß die Anstiegszeit in wesentlichem Maße beeinflußt wird, ist in Mg. 3c dargestellt und enthält einen als Emitterfolger geschalteten Transistor und einen mit dem Emitterwiderstand R ein paralleles RC-Netzwerk bildenden Kondensator. Wenn der Widerstand R groß (z.B. 1Ö0O n) im Vergleich zu dem Widerstand (z.B. 10 Q) des Transistors im leitenden Zustand ist, wird die Hinterflanke stärker (z.B. etwa 100-mal stärker) als die Vorderflanke verlängert, wie aus den Spannungs-Zeit-Diagrammen hervorgeht.
Auch kann statt des Begrenzers und der Subtraktionsvorrichtung eine Reihenspannungsschwelle zwischen den Eingang des Impulsverlängerers 13 und dem Eingang des Impulsformers 2 angeordnet werden. In diesem Falle wird ebenfalls ein fester Betrag von der Impulsamplitude subtrahiert und werden die Kurven der Figur 3 ebenfalls erhalten. In gewissen Fällen kann diese Schwelle durch eine Zener-Diode gebildet werden.
Obgleich die Vorrichtung nun von der Anstiegszeit nahezu unabhängig ist, kann der Impulsverlängerungseffekt noch leicht eine Herabsetzung der Wiederholungsmeßfrequenz der Vorrichtung
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herbeiführen. Eine bevorzugte Ausführungsform, bei dsei? ;diefle . Wiederholungsmeßfrequenz nicht beeinflußt wird, ist in Pig. Aa dargestellt. Nach dieser Figur enthält der Impulsformer 2 , ein Differentiierglied 21, dessen Ausgang über einen Begrenzer 22 dem subtrahierenden Eingang eines Subtraktionsgliedes 23 zugeführt wird. Der Signalimpuls wird dem Eingang des Differentiiergliedes 21 und dem Subtraktionsglied 23 zugeführt, wie dies auch bei der vorangehenden Ausführungsform der Pail ist. Das Differentiierglied 21 differentiiert die Vorder- und Hinterflanken des Impulssignals, während die von großen Eingangssignalen erzeugten Spitzen von dem Begrenzer 22 begrenzt werden, welcher kleiner Signale oder lange Anstiegs- und Abfallzeiten nicht oder kaum beeinflußt. Jedes Ausgangssignal wird in dem Subtraktionsglied 23 von dem Impulssignal subtrahiert. Die betreffenden Spannungs-Zeit-Diagramme sind in Fig. 4b mit a_, b und £ bezeichnet. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß sogar für die dargestellten langen Anstiegs- und Abfallzeiten die zum Erhalten von V.. und V2 erforderlichen Verzögerungen erzielt werden, ohne daß die Wiederholungsmeßfrequenz der Vorrichtung herabgesetzt wird. Es hat sichln der Praxis "herausgestellt, daß es günstig sein kann, wenn, gleich wie bei der ersten Ausführungsform, eine Verzögerungszeit D hinzugefügt wird,
Die mit einer Vorrichtung nach der Erfindung erhaltene Genauigkeit ist größer als + tr/2 in einem dynamischen Eingangsbereich von 40 dB - ungeachtet der Form der Spannung.
Patentansprüche s 283822/0852 - 11 -

Claims (6)

Patentansprüche:
1.) Impulsdauermeßvorrichtung, die eine Signalvergleichsschaltung enthält, die einen der zu messenden Impulsdauer entsprechenden Ausgangsimpuls liefert und die mit zwei Eingängen versehen ist, die mit je einem Signalkreis verbunden sind, deren Eingänge an den Impulseingang der Meßvorrichtung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet« daß die Signalvergleichsschaltung eine Schmitt-Kippschaltung ist, daß der erste Signalkreis eine direkte Verbindung ist und daß der zweite Signalkreis einen Impulsformer enthält.
2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer eine Verζögerungsschaltung ist, die den zu messenden Impuls in der Zeit verzögert.
3.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer eine Reihenspannungsschwelle und einen Impulsverlängerer enthält, und daß die Reihenspannungsschwelle einen festen Spannungsbetrag von dem Eingangsimpuls subtrahiert und der Impulsverlängerer die Steilheit der abfallenden Planke des Impulses aus der Reihenspannungsschwelle herabsetzt.
4.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer eine Parallel-Spannungsschwelle, eine Subtraktionsvorrichtung und einen Impulsverlängerer ent-
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hält, daß die Parallel-Spannungsschwelle den Eingangsimpuls auf einen festen Spannungswert begrenzt, und daß ein Eingang der Subtraktionsvorrichtung an die Parallel-Spannungsschwelle angeschlossen ist, dem anderen Eingang der Eingangsimpuls zugeführt wird und der Ausgang mit dem Impulsverlängerer verbunden ist, der die Steilheit der abfallenden Planke des Impulses aus der Subtraktionsvorrichtung herabsetzt.
5.) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsverlängerer einen Emitterfolger enthält, in dessen Emitterkreis ein Widerstand angeordnet ist, der von einem Kondensator überbrückt ist.
6.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer ein den Eingangsimpuls differentiierendes Differentiierglied und eine Subtraktionsvorrichtung enthält, die ein· Signal entsprechend dem Eingangsimpuls ab-™ zUglich des differentiierten Eingangsimpulses liefert.
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