DE2336015A1

DE2336015A1 - Schaltungsanordnung zur umsetzung einer frequenz in eine binaerzahl

Info

Publication number: DE2336015A1
Application number: DE19732336015
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Hoenig; Uwe Dr Ing Kiencke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-07-14
Filing date: 1973-07-14
Publication date: 1975-01-30
Also published as: JPS5039985A; GB1480822A; FR2237366A1; FR2237366B3; BR7405766D0; SE391814B; US3928797A; JPS5727426B2; SE7409142L; DE2336015C2

Description

R. 1499
9.7.1973 Mü/Hö

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH. Stuttgart

Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer Frequenz in eine Binärzahl

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer Frequenz in eine Binärzahl, insbesondere für einen Impuls-Drehzahlgeber, der außer der Eingangsfrequenz eine Taktfrequenz zugeführt wird.

Frequenz-Binärzahlenwandler werden dann in elektronischen Schaltungen vorteilhaft eingesetzt, wenn in digitaler Form vorliegende Daten oder Meßergebnisse in der Form von Binär-Codes weiterverarbeitet oder jedoch in einer Anzeigeeinrichtung dargestellt werden sollen.

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Es ist eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Frequenz in eine Dezimalzahl bekannt, bei der während eines einstellbaren Zeitintervalles die Eingangsimpulse abgezählt werden. Einem Ausgangssignal dieser Schaltungsanordnung hat demnach eine Folge von Eingangsimpulsen voranzugehen. Für viele Anwendungen der Frequenz- bzw. Drehzahlmessung ist die Ansprechzeit eines solchen Systems zu groß. Durch eine Verkleinerung des einstellbaren Zeitintervalles läßt sich zwar die Ansprechzeit verringern, doch verkleinert sich dadurch der meßbare Frequenzbereich. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Empfindlichkeit gegenüber schnellen Frequenzänderungen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer Frequenz in eine Binärzahl mit einer geringen Ansprechzeit zu schaffen. Dadurch können auch niedrige Frequenzen ohne große Verzögerungen gemessen we.rden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für die Proportionalität zwischen Frequenz und Binärzahl ein Zähler mit einem hyperbelförmigen Zählerstand-Verlauf über der Zeit abwärts zählt, der hyperbelförmige Verlauf durch einen Polygonzug angenähert wird, indem der Zählerstand mit jedem Taktimpuls einer Dekodierstufe für die Zählgeschwindigkeit zuführbar ist, deren Ausgangssignal als Multiplikationsfaktor einer Eingangsfrequenz eines Multiplizierers dient und der Ausgang des Multiplizierers mit einem Zähleingang des Abwärtszählers verbunden ist.

Grundgedanke dieser Erfindung ist es, die gewünschte Proportionalität von Frequenz f und Zählerstand Z über den hyperbelförmigen Zusammenhang von Frequenz f und Periodendauer T nach der Beziehung Z^ f = γ zu erhalten. Diese Abhängigkeit zwischen dem Zählerstand und der Periodendaüer setzt einen hyperbelförmigen Verlauf des Zählerstandes über der Zeit voraus. Die Zählfrequenz als Gradient des Zählerstandes von der Zeit sinkt

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daher mit wachsender Zähldauer ab. Zu Beginn wird jedoch eine sehr große Zählfrequenz benötigt, und da der Grenzwert t -*■ D, Z-* β» , £γ-»-«> nicht verwirklicht werden kann, folgt die maximale Zählfrequenz aus der Art des verwendeten Zählers.

Der hyperbelformige Verlauf des zeitabhängigen Zählerstandes Z, bzw. die nichtlineare Zählfrequenz während des Zählvorganges, wird durch einen Polygbnzug angenähert, bei dem die Einteilung der Geraden-Abschnitte vorzugsweise vom Zählerstand Z und nicht von der Zeit t ausgeht.

Eine Umgehung der nicht zu realisierenden hohen Zählfrequenz kann durch einen verspäteten Zählbeginn erreicht werden. Der maximale Zählerstand läßt sich dabei für die Zeit bis zum Erreichen der Hyperbel beibehalten. Zur exakten und definierten Festlegung des eigentlichen Anfangswertes der Abwärtszählung kann auf diesen Wert auch mit einer geringen Zählfrequenz abgezählt werden. Ein verspäteter Zählbeginn bewirkt jedoch eine Grenz-Periodendauer, was einer Maximalfrequenz entspricht. Für Frequenzen mit einer kleineren Periodendauer ist dieser Zähler daher nicht mehr geeignet.

Eine Erweiterung des Zählbereichs für Frequenzen mit einer kleineren Periodendauer als T_n bildet die Zählung über zwei Impulse, bzw. über zwei Periodendauern. Die Umschaltung der zwei verschiedenen Zählarten ist dabei von der Grenzperiodendauer abhängig. Als weiteres Kriterium für die Umschaltung auf die Zählung über zwei Periodendauern kann der durch die Näherung auftretende Fehler gelten. Er tritt bei kleinen Periodendauern stärker in Erscheinung.

Bei der Zählung über zwei Periodendauern ist eine neue Hyperbel zu durchlaufen. Aus der Beziehung Z = "£· folgt für die neue Hyperbel eine doppelte Steigung.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise ist in der Zeichnung ein Zähl-

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diagramm dargestellt sowie ein Beispiel der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 Die Lage der beiden Hyperbeln in der Zeit/Zählerstandsebene,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer Frequenz in eine Binärzahl.

Betrachten wir zuerst die Figur 1. In ihr sind die beiden Hyperbeln H₁. und H₂ mit den Formeln Z = γ, Z = ^- dargestellt. Soll zu Beginn eine Frequenz mit einer großen Periodendauer ausgezählt werden, so springt mit einem Eingangsimpuls der Zählerstand auf den Wert ZMAX und zählt von hier mit einer derart gewählten Zählfrequenz abwärts, daß der Zählerstand in dem Punkt S₁ die Hyperbel H₁. berührt. Von hier aus durchläuft der Zählerstand dann diese Hyperbel H.. bis zu einem nachfolgenden erneuten Impuls. Der Zahlenwert des Endstandes ist dann proportional zur Eingangsfrequenz. Sinkt die Periodendauer, das heißt, steigt die Frequenz, so nähert sich der Endstand dem Wert S^ auf der Hyperbel H. an. Bei einer geringfügigen Unterschreitung der Zeit Τη wird zur Zählung auf die zweite Hyperbel Hp umgeschaltet. Der die Zählung oberhalb des Punktes S. beendende Impuls bewirkt für den nächsten Zählvorgang einen Sprung des Zählerstandes zurück auf den Wert ZMAX und eine Abwärtszählung mit einer geringen Zählfrequenz bis zum Punkt ZB- auf der Hyperbel H-. In dem Punkt ZB- tritt die maximal mögliche Zählfrequenz auf und der Zählerstand durchläuft die Hyperbel in Richtung kleiner werdender Steigung bis zum Punkt S-. Wegen der doppelten Steigung der Hyperbel H₂ gegenüber der Hyperbel H^ liegt der Punkt S2 auf dem gleichen Zählerstand wie der Punkt S., doch bei der doppelten Zeit. Den gleichen Zählerstand erhält man damit auf der Hyperbel H₁ zur Zeit T = 1.T_n und auf der Hyperbel H- zur Zeit T » 2.Τη. Auf der Hyperbel H₂ kann demnach über zwei Periodendauern gezählt werden, um den gleichen Zahlenwert wie bei der Zählung auf der Hyperbel H₁ nach

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einer Periodendauer, zu erhalten. Ein genaues Zählergebnis ergibt sich auf dieser zweiten Hyperbel vom Punkt ZB₂ ausgehend bis zum Punkt Sp. In dem Punkt ZB2 verläßt der Zählerstand die Hyperbel und es entsteht ein Fehler· Die Zählung über 1 Intervall erfolgt damit auf der Hyperbel H, bis zum Zählerstand Z <" —£— . Bei einem größeren Zählerstand, Z i *=— wird dagegen auf der Hyperbel H₂ über 2 Intervalle gezählt. Im Prinzip ist dieser Meßvorgang auch über mehr als zwei Perioden denkbar. In diesem Fall muß die Steigung der Hyperbel entsprechend den überzählbaren Periodendauern erhöht werden. Der Zählbereich über den einzelnen Hyperbeln wird jedoch immer kleiner, das heißt, der auf der Hyperbel W~ dargestellte Abschnitt SpZZB₂ verringert sich mit zunehmender Steigung der Hyperbeln.

In Figur 2 ist ein Beispiel für eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des oben beschriebenen Meßprinzips dargestellt.

Ein Anschluß 10 kennzeichnet den Eingang für die Frequenz f 1. An diesem Anschluß sind ein Eingang 11 eines UNS-Gatters 12, ein Eingang 14 eines weiteren UNB-G at tare 13 sowie dsr K-Eingang 17 dea J-K-Flipflops 18 angeschlossen _s während sin Impuiseingang 17a des J-K-Flipflops 18 mit dem Ausgang des UND-Gatters 15 gekoppelt ist. Der invertierende Ausgang 19 dieses J-K-Flipflop» 1Θ ist mit einem weiteren Eingang 13 des UND-Gatters 12 verbunden. An seinem Ausgang 20 ist einmal der Impulseingang 21 eines D-Flipflops 22 und ein Takteingang 3.1 eines Endstandsregisters 30 angeschlossen. Vom nicht invertierenden Ausgang 23 des D-Flipflops 22 führt sin· Leitung 24 zu einem Eingang 41 eines Abwärtszählers 40. Von ihm führen Leitungen 45 zu einem Dekodierer 46 und dieser ist wiederum über die Leitungen 51 mit einem Multiplizierer 50 verbundene Eine Taktfrequenz f 0 wird sowohl einem Eingang 52 des Multiplizierers 50 als auch einem Takteingang 25 des D-Flipflops 22 und einem Takteingang 17b des J-K-Flipflops 18 zugeführt. Vom Ausgang 53 dsa

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Multiplizierers 50 -führt eine Leitung 54 zu einem Zähleingang 42 des Abwärtszählers 40. Von diesem Abwärtszähler 40 führen außer den Leitungen 45 zum Dekodierer 46 auch Leitungen 43 zum Eingang 32 des Endstandsregisters 30. Die bedeutendste Stelle dieses Endstandsregisters 30, das Most-Significant-Bit (MSB), ist auf einen Eingang 16 des UND-Gatters 15 und an einen Eingang 47 des Dekodierers 46 geführt. Den Ausgang der Schaltungsanordnung bildet ein Ausgang 33 des Endstandsregisters 30.

Für unterschiedliche maximale Zählerstände bei der Zählung über eine bzw. über zwei Periodendauern der Eingangsfrequenz dient ein gestrichelt gezeichneter Anfangswert-Dekodierer 60. Ein Eingang 61 dieses Anfangswert-Dekodierers 60 ist dabei mit dem Ausgang 34 des Endstandsregisters 30 gekoppelt, während sein Ausgang 62 zum Abwärtszähler 40 führt. Sowohl der Dekodierer 46 als auch der Anfangswert-Dekodierer 60 können aus logischen Gattern aufgebaut sein oder es kann für sie ein Festwertspeicher (ROM) verwendet werden.

Zur Unterscheidung der Serienverarbeitung von der Parallelverarbeitung der Impulse bzw. Dualzahlen sind in der Figur 2 unterschiedliche Verbindungsleitungen eingeführt. Die Doppellinien kennzeichnen hierbei eine parallele Wortverarbeitung, während die einfachen Linien die Leitungswege von Impulsserien darstellen. Zur Unterscheidung der Signalarten wurden ferner die Frequenz f 0 als Taktfrequenz, die Eingangsfrequenz f 1, eine Frequenz f 2 am Ausgang des UND-Gatters 12, eine Frequenz f 3 am Auegang 23 des D-Flipflops 22, ferner eine am Ausgang 53 des Multiplizierers 50 auftretende Frequenz f 4 und schließlich als HSB-Signal die Frequenz f 5 eingeführt. Dementsprechend erfahren eine parallele Verarbeitung die Impulsgruppen b 2 ale Ausgangssignal dee Abwärtszählers 40 und b 3 als Ausgangssignal des Dekodierers 46. Außerdem erfolgt eine parallele Verarbeitung eines Auegangssignals b 4 des Abwärtszählers 40 als Eingangs-

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signal für das Endstandsregister 30 sowie dessen Ausgangssignal b 5.

Nach der Erläuterung des Schaltungsaufbaues soll im folgenden die Wirkungsweise beschrieben werden.

Die Impulse der Eingangsfrequenz f 1 haben die Impulsbreite einer Taktperiodendauer und liegen synchron zur Taktfrequenz. Entsprechende Synchronisierschaltungen sind bereits vorgeschlagen worden. Mit jedem Impuls am Takteingang 31 des Endstandsregisters 30 erfolgt die Übernahme des augenblicklichen Zählerstandes des Abwärtszählers 40 über die Leitungen 43 in das Endstandsregister 30. Dort bleibt somit während mindestens einer Periode der Eingangsfrequenz f 1 der Wert und damit auch das höchste Bit (MSB) konstant. Für den Fall, daß dieses höchste Bit nicht gesetzt ist, liegen bei einem folgenden Eingangsimpuls an den Eingängen 11 und 13 des UND-Gatters 12 L-Signale und der Eingangsimpuls wird auf den Ausgang 20 durchgeschaltet. Der Zählerstand des Abwärtszählers **ö wird übernommen und beim nächsten Taktimpuls wieder auf den Maximalwert Zmax zurückgesetzt. War die Periodendauer der beiden vorangegangenen Eingangsimpulse kleiner als Tq, so ist nun das höchste Bit gesetzt und der Dekodierer 46 bewirkt daher eine Zählfrequenz entsprechend dem Verlauf der Hyperbel H-. Das UND-Gatter 15 gibt beim nächsten Eingangsimpuls ein L-Signal ab, das J-K-Flipflop 18 schaltet um und damit sperrt das UND-Gatter-12. Der augenblickliche Zahlenwert des Abwärtszählers wird nicht übernommen und der Abwärtszähler selbst auch nicht zurückgestellt. Erst ein erneuter Eingangsimpuls von f 1 invertiert wieder das Ausgangssignal des J-K-Flipflops 1B und aufgrund dessen liegt am Ausgang 20 des UND-Gatters 12 ein L-5ignal. Der Zählvorgang kann damit von Neuem beginnen.

Für einen Zählerstand Z < Zmax/2 zu Beginn des folgenden Eingangsimpulses wird demnach über 1 Periode gezählt, und für Z l· Zmax/2 über 2 Perioden. Der Zählerstand entspricht jedoch bei

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einem die Zählung beendenden Impuls jeweils einem Wert, der proportional zur Eingangsfrequenz ist.

Werden für die Zählung 2 unterschiedliche maximale Zählerstände verwendet, dann können diese mit Hilfe des Anfangswert-Dekodierers entsprechend dem höchsten Bit des Endständsregisters 3D in den Abwärtszähler 40 eingegeben werden. Vorzugsweise wird dabei der maximale Zählerstand bei der Zählung über eine Periodendauer niedriger gewählt als bei einer Zählung über zwei Periodendauern.

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Claims

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Ansprüche

fly Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer Frequenz in eine BinMrzahl, insbesondere für einen Impuls-Drehzahlgeber, der außer der Eingangsfrequenz eine Taktfrequenz zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Proportionalität zwischen Frequenz und Binärzahl ein Abwärtszähler (40) mit einem hyperbelförmigen Zählerstandsverlauf über der Zeit abwärts zählt, der hyperbelförmige Verlauf durch einen Polygonzug angenähert wird, in dem der Zählerstand mit jedem Taktimpuls einer Dekodierstufe für die Zählgeschwindigkeit zuführbar ist, deren Ausgangssignal als Multiplikationsfaktor einer Eingangsfrequenz f G eines Multiplizierers (50) dient und der Ausgang (53) des Multiplizierers (50) mit einem Zahleingang (42) des Abwärtszählers (40) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer Frequenz in eine Binärzahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb eines bestimmten Endstandswertes des Abwärtszählers (40) zu Beginn eines nachfolgenden Impulses über zwei Perioden auf einer neuen und ebenfalls durch einen Polygonzug angenäherten Hyperbel H- abwärtszählbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Eingangsfrequenz f 1 einem UND-Gatter (12) sowie einem K-Eingang eines J-K-Flipflops (18) und über ein weiteres UND-Gatter (15) dem entsprechenden J-Eingang (17a) zuführbar ist, und ein invertierender Ausgang (19) des J-K-Flipflops (18) mit dem zweiten Eingang (13) des UND-Gatters (12) verbunden ist, daß das Ausgangssignal f 2 des UND-Gatters (12) als Taktsignal einem Endstandsregister (30) zuführbar ist und das Bit der höchsten Stellenzahl (MSB) des Endstandsregisters (30) mit dem zweiten Eingang (16) des UND-Gatters (15) in Verbindung steht.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal f 2 des UND-Gatters (12) über ein im Rythmus der Taktfrequenz f 0 arbeitendes D-Flipflop dem Abwärtszähler (40) über einen Eingang (41) zuführbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der höchsten Stellenzahl (MSB) des Endstandsregisters (30) einem Dekodierer (46) für die Zählgeschwindigkeit zuführbar ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dekodierer (46) mit logischen Gattern aufgebaut ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Dekodierer (46) ein ROM als festverdrahteter

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Speicher auf Halbleiterbasis verwendet wird.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für unterschiedliche maximale Zählerstände je nach Zählart über eine oder zwei Periodendauern der Wert der höchsten 5tellenzahl (MSB) des Endstandsregisters (30) einem Anfangswert-Dekodierer (60) zuführbar ist, der mit dem Abwärtszähler (^0) in Verbindung steht.

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