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Schneller Histograph Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Registrieren
der Häufigkeit von bestimmten Funktionswertbereichen in einer zweidimensionalen
Funktion (Histogramm) und Ausgabe der Häufigkeitswerte, wobei die Funktion als Amplituden-Zeit-Funktion
einem Klassifizierer zugeführt wird, der für jeden voneinander verschiedenen zu
registrierenden Amplitudenwert einen Ausgang besitzt und der jeweils nur an einem
Ausgang ein Ausgangssignal liefert, wenn die Funktion den zugehörigen Funktionswert
annimmt, und wobei jedem Ausgang ein
Speicher zugeordnet ist und
alle Ausgänge an bestimmten Zeitpunkten abgefragt werden und derjenige Speicher
ein Speichersignal erhält, dessen zugeordneter Ausgang im Abfragezeitpunkt ein Ausgangssignal
führt, und wobei zur Ausgabe der Häufigkeitswerte die Speicher nacheinander abgefragt
und einer Ausgabeeinrichtung zugeführt werden.
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Zur Untersuchung von Punktionen werden diese manchmal, z.3.
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bei der Sprachanalyse, so in eine andere Darstellung umgewandelt,
daß die Häufigkeiten aufeinanderfolgender Funktionswertbereiche nebeneinander dargestellt
werden. Eine derartige Darstellung wird das Histogramm einer Funktion genannt, und
eine Einrichtung zur Erzeugung dieser Darstellung heißt Histograph.
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Derartige Histographen sind z.B. aus der US-Patentschrift 3 629 838
bekannt. Das Eingangssignal wird als Amplituden-Zeit-Funktion einem Klassifizierer
zugeführt, der für jeden der verschiedenen Amplitudenwerte einen Ausgang besitzt.
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Diese Ausgänge führen auf eine Koinzidenzschaltung, wo diese Ausgänge
nacheinander von einem Schrittschalter abgetastet werden. Die Speicher werden durch
Kondensatoren gebildet, und der Schrittschalter verbindet nacheinander jeden Kondensator
mit einer Auflade- oder Entladestromquelle. Zur Steuerung des Schrittschalters und
der Ladeschalter für die Kondensatoren sowie für weitere Baugruppen wird noch ein
zusätzlicher Zeitsteuergenerator benötigt.
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Diese Einrichtung erforderte daher einen hohen Aufwand an Schaltmitteln
bzw. Bauelementen, da sowohl ein Klassifizierer für analoge Signale kompliziert
aufgebaut ist wie auch die Schalter für analoge Signale zumindest für eine gewisse
Genauigkeit schwierig zu realisieren sind. Ferner können die Kondensatoren ihren
gespeicherten Analogwert nur begrenzte Zeit halten, so daß eine wiederholte Betrachtung
der Häufigkeitsverteilung auf einem Bildschirm praktisch nicht möglich ist. Ferner
ist es nicht möglich, die Amplitudenwerte an genau festgelegten Zeitpunkten abzutasten,
da durch den Schrittschalter die einzelnen Amplitudenwerte nacheinander abgetastet
werden, so daß die niedrigen Amplitudenwerte früher abgetastet werden als die hohen
Amplitudenwerte oder umgekehrt, je nach der Reihenfolge des Schrittschalters, und
in dieser Zeit kann sich die Amplitude der Funktion bereits geändert haben. Wegen
dieser erheblichen Abtastzeit können auch keine sehr schnellen Vorgänge ausgewertet
werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Histographen anzugeben, der trotz
hoher Genauigkeit einfach aufgebaut ist und bei dem die Abtastzeitpunkte unabhängig
von der Amplitude der abgetasteten Funktion ist. Ferner sollen die Speicher den
gespeicherten Wert lange halten können, damit die Ausgabe dieser Häufigkeit auf
einem Bildschirm wiederholt in Form eines stehenden Bildes vorgenommen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Punktion einen Analog-DigJtal-Wandler,
ein Zeitfenstertor und einen Dekodierer durchläuft,
der mindestens
so viele Binärbits der digitalen Funktionswerte vollständig an åe einem Ausgang
dekodiert, wie der geforderten Amplitudenauflösung entspricht, daß an jedem Ausgang
über je ein Tor ein Zähler in einer Zählereinheit angeschlossen ist, daß alle Tore
an mehreren bestimmten Zeitpunkten innerhalb des Zeitfensters gleichzeitig geöffnet
werden und der einem ein Ausgangs signal führenden Ausgang zugeordnete Zähler eine
Zählsteilung weiterschaltet, und daß eine Multiplexeinrichtung alle Zählerstellungen
nach Beendigung des Zeitfensters des Zeitfenstertors abfragt. Die der Erfindung
zugrunde liegende Idee ist also, die zu untersuchende Funktion möglichst frühzeitig
zu digitalisieren, so daß alle weiteren Maßnahmen mit digitalen Schaltkreisen durchgeführt
werden können. Solche Schaltkreise sind wesentlich einfacher und preiswerter als
analoge Schaltkreise, insbesondere bei höherer Genauigkeit. Der Klassifizierer wird
also durch einen Dekodierer ersetzt, und die Speicher werden durch Zähler gebildet,
die eine Information beliebig lange halten können, solange nicht die Betriebsspannung
abgeschaltet wird. Die Abtastzeitpunkte können durch einen einfachen Taktgenerator
vorgegeben werden, sie können aber auch von einer Änderung der Ausgangssignale des
Dekodierers abhängig gemacht werden.
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Wenn eine zu untersuchende Funktion nicht als Amplituden-Zeit-Funktion
vorliegt, sondern beispielsweise als gezeichnete Kurve, kann mit Hilfe einer Fernsehkamera
leicht eine
Ampituden-Zeit-Funktion erzeugt werden, die gleichzeitig
digitalisiert ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.
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Die zu untersuchende analoge Amplituden-Zeit-Funktion wird über den
Eingang 15 und einen Schalter einem schnellen Analog-Digital-Wandler 4 zugeführt,
der aus der kontinuierlichen analogen Funktion eine Folge von digital dargestellten
Amplitudenwerten erzeugt. Eine andere Möglichkeit ist, daß die zu untersuchende
Funktion aus Meßwerten besteht, die räumlich verteilt sind, z.B. mechanische Beanspruchung
von Konstruktionselementen an unterschiedlichen Punkten.
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Dann wird jedem Meßpunkt ein Meßwertaufnehmer M1 M2 ... Mi zugeordnet,
und die einzelnen Meßwerte werden über einen Datenmultiplexer 2 nacheinander über
den dann umgelegten Schalter dem Analog-Digital-Wandler zugeführt. In diesem Fall
kann der Wandler synchron mit dem Datenmultiplexer arbeiten. Dadurch wird die räumliche
Verteilung von beliebigen Meßwerten in eine zeitliche Verteilung elektrischer Größen
umgewandelt.
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Wenn die zu untersuchende Funktion beispielsweise als graphische Kurve
auf einem Aufzeichnungsträger vorliegt oder aus der Kontur eines Körpers besteht,
kann die Ortsfunktion auf folgende Weise in eine Amplituden-Zeit-Bunktion umgewandelt
werden. Mit einer Fernsehkamera 1 wird die Kurve bzw. die Kontur zeilenweise abgetastet.
Zu Beginn einer Zeile wird ein Zähler/gestartet, der die Anzahl von Zeiteinheiten
zählt, bis der Elektronenstrahl der Kamera zu dem Punkt des Vorlagenabbildes auf
der lichtempfindlichen Schicht der Kamera gelangt. Ist dieser Punkt erreicht, so
gibt die Kamera einen Impuls ab, der den Zählvorgang stoppt. Der Zählerstand gibt
dann den Wert der einen Koordinate der Kurve an, und zwar gleich als digitalen Wert.
Dieser Vorgang wiederholt sich mit jeder Zeile, so daß sich insgesamt eine Amplituden-Zeit-Funktion
aus der geometrischen Vorlage ergibt.
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Die so erzeugten digitalen Amplitudenfunktionen werden über einen
Umschalter einem Zeitfenstertor 5 zugeführt, das diese Amplitudenwerte nur für eine
bestimmte Zeitfensterdauer durchläßt. Diese kann beispielsweise durch einen Taktgenerator
16 gesteuert werden, um zu gewährleisten, daß die Anzahl der Abtastungen pro Zeitfenster
konstant bleibt. Wenn besondere Auflösungen gewünscht sind, kann die Zeitfensterdauer
auch unabhängig von der Uaktfrequenz eingestellt werden.
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Die am Ausgang des Zeitfenstertors 5 erscheinenden digitalen Amplitudenwerte
werden einem Dekodierer 6 zugeführt, der die üblicherweise als Dualzahlen vorliegenden
Werte nur dekodieren muß. Entsprechend der geforderten Amplltudenauflösung mit einer
bestimmten Anzahl von Stufen, die zweckmäßig eine volle Potenz von 2 ist, werden
von den vom Analog-Digital-Wandler kommenden Dualzahlen nur die ersten Bits entsprechend
der Stufenzahl dekodiert, wobei vorausgesetzt ist, daß die Auflösung der Analog-Digital-Wandler
üblicherweise größer ist als die für den Histographen geforderte Amplitudenauflösung.
Dies geschieht mit üblichen Verknüpfungsgliedern, deren Ausgänge aus dem Dekodierer
6 herausgeführt werden, so daß für jede aufzulösende Stufe ein Ausgang vorhanden
ist.
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-Jede Ausgangsleitung ist mit dem einen Eingang eines EED-Gliedes
8 verbunden, von denen aus Gründen der Ubersichtlichkeit nur eines in der Zeichnung
dargestellt ist. Der andere Eingang aller UKD-Glieder ist gemeinsam über einen Schalter
in dessen einer Schalterstellung mit dem Taktgenerator 16 verbunden, der einen regelmäßigen
Takt liefert.
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Diese Takte stellen Abfragepunkte der auszuwertenden Funktion dar,
denn mit jedem Takt werden alle UND-Glieder 8 gleichzeitig kurzzeitig geöffnet und
die Ausgänge des Dekodierers 6 durchgeschaltet.
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Der Ausgang jedes UND-Gliedes 8 ist mit einem Zähler in der Zählereinheit
9 verbunden, so daß jeweils ein Zähler einem bestimmten Ausgang des Dekodierers
6 zugeordnet ist.
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Da jeweils nur ein Ausgang des Dekodierers 6 ein Ausgangssignal führen
kann, erhält mit jedem Taktsignal des Uaktgenerators 16 nur jeweils ein Zähler ein
Zählsignal. Auf diese Weise zählt jeder Zähler, wie oft ein bestimmter, ihm zugeordneter
Amplitudenwert während des Zeitfensters aufgetreten ist. Dabei wird also bei jedem
Takt ein Amplitudenwert ausgewertet, auch wenn die Eingangsfunktion über mehrere
Takte konstant ist. Die Summe aller Zählerstände entspricht dann der Taktanzahl
pro Zeitfenster.
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In der Figur ist noch eine andere Möglichkeit der Registrierung dargestellt,
die in der rechten Schalterstellung wirksam ist. Dazu sind alle Ausgänge des Dekodierers
6 mit einem Detektor 7 verbunden, der jeweils dann ein Steuersignal am Ausgang abgibt,
wenn sich seine Eingangssignale, d.h. die Ausgangssignale des Dekodierers 6 ändern.
Die UND-Glieder 8 werden gleichzeitig mit jedem Steuersignal am Ausgang des Detektors
geöffnet, so daß nun ein Amplitudenwert der Eingangsfunktion nur dann registriert
wird, wenn er neu auftritt.
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Die Zählerstände der Zählereinheit 9 stellen nach Beendigung des Zeitfensters
die Amplitudenverteilung der zu untersuchenden EIngangsfunktion im Zeitfensterintervall
dar. Zum Ausgeben der Amplitudenverteilung werden die Zählerstände über einen
digitalen
Multiplexer 10 nacheinander abgefragt und einem Steuergerät 11 zugeführt. Dieses
Steuergerät enthält im wesentlichen eine Schieberegistergruppe, wobei jeder Zählstufe
der Zähler ein Schieberegister zugeordnet ist und die Anzahl der Stufen der Schieberegister
gleich der Anzahl der Zähler in der Zähleranordnung 9 ist. Dieser Schieberegistergruppe
werden die Zählerstände parallel zugeführt, wobei alle Schieberegister parallel
weitergeschoben werden.
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Diese Übertragung der Zählerstände kann mit hoher Geschwindigkeit
erfolgen. Zur Darstellung der Amplitudenverteilung auf dem Bildschirm eines Fernsehgerätes
12 werden die Schieberegister mit einem langsameren Takt entsprechend der CCIR-Fernsehnorm
wieder ausgelesen. Zu Beginn einer Zeile wird ein Zähler gestartet, der während
der Zeilendauer so weit zählt, wie der gewünschten Amplitudenauflösung pro Zeile
entspricht. Der Zählerstand wird laufend mit dem Ausgang der Schieberegister mittels
eines Komparators verglichen, der bei Gleichheit einen Impuls liefert. Zu Beginn
jeder Zeile wird der Elektronenstrahl hellgetastet, bis der Komparatorimpuls erscheint
und den Elektronenstrahl wieder dunkeltastet. Auf diese Weise werden die gewünschten
Balken diagramme erzeugt. Je nach gewünschter Amplitudenauflösung werden eine oder
mehrere Zeilen zur Darstellung einer Amplitudenstufe benutzt.
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Zweckmäßig liefert das Steuergerät gleichzeitig die Synchronisierimpulse
für Zeilen- und Bildwechsel des Fernsehgerätes,
das als Ausgabegerät
benutzt wird. Die Hell- bzw. Dunkelsteuerimpulse des Steuergerätes 11 werden direkt
in den Videoverstärker des Fernsehgerätes eingespeist. Um ein Histogramm längere
Zeit betrachten zu können, werden die Schieberegister in dem Steuergerät nach dem
Einlesen im Ring geschlossen, so daß die Information zyklisch umläuft.
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So kann das Histogramm eines kurzen Vorganges beliebig lange betrachtet
werden.
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Zur dauerhaften Speicherung kann das. Histogramm von den Schieberegistern
mit einem langsameren Takt auf ein Magnetbandgerät 14 oder einen Lochstreifenstanzer
13 ausgegeben werden. Wenn das Histogramm später noch einmal betrachtet werden soll,
können die Bänder bzw. Lochstreifen wieder verwendet werden, um die Schieberegister
in dem Steuergerät und darüber das Fernsehgerät 12 zu steuern.
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Patentansprüche: