DE2431825A1 - Digitale schaltungsanordnung zum messen der momentanen frequenz von durch impulse dargestellten ereignissen - Google Patents
Digitale schaltungsanordnung zum messen der momentanen frequenz von durch impulse dargestellten ereignissenInfo
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Description
Case No. 18479
Ü.S.Ser.No. 376,187
Filed:July 3, 1973
Ü.S.Ser.No. 376,187
Filed:July 3, 1973
GARDNER-DENVER COMPANY Gardner Expressway, Quincy, Illinois
(V.St.A.)
Digitale Schaltungsanordnung zum Messen der momentanen Frequenz von durch Impulse dargestellten Ereignissen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine digitale Schaltungsanordnung zum Messen der momentanen Frequenz von
durch Impulse dargestellten Ereignissen, mit einem Zeitzähler zum Zählen der Anzahl der zwischen aufeinanderfolgenden
Ereignisimpulsen auftretenden Taktimpulse und einer Vorrichtung zur reziproken Umrechnung des Zählwertes.
Eine Frequenz- oder Häufigkeitsmessung kann dadurch erfolgen, daß man die Anzahl der während einer vorgegebenen
Zeitspanne auftretenden Ereignisse oder der sie darstellenden Impulse mißt. In vielen Fällen muß jedoch eine
Frequenz- oder Häufigkeitsmessung schneller durchgeführt werden, als es möglich ist, wenn man die vorgegebene Zeitspanne
verstreichen läßt, insbesondere wenn diese relativ lang ist.
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In solchen Fällen kann man die sogenannte "momentane"
Frequenz oder Häufigkeit dadurch bestimmen, daß man die Zeit zwischen den Impulsen mißt, z.B. durch Zählen von Taktimpulsen,
und dann die Frequenz oder Häufigkeit durch eine reziproke Umrechnung ermittelt. Die bekannten Reziprokzählersysteme
sind jedoch kompliziert und teuer.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Schaltungsanordnung zur Messung der momentanen Frequenz oder
Häufigkeit angegeben werden, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die gekennzeichnet ist
durch einen Speicher für den ermittelten Zählwert, einen zweiten Zähler zum Zählen von Referenzimpulsen während einer vorgegebenen
Zeitspanne, einen Vergleicher, der den Zählwert im Speicher mit dem Zählwert im zweiten Zähler vergleicht und
einen Ausgangsimpuls liefert, wenn die Zählwerte gleich werden,
eine durch den Ausgangsimpuls gesteuerte Rückstellvorrichtung
für den zweiten Zähler und einen dritten Zähler zum Zählen der Ausgangsimpulse.
Wenn der durch den ersten Zähler ermittelte Zählwert gleich der Zahl N ist und t die zwischen zwei Ereignissen
verstrichene Zeit ist, so gilt N = K-t, wobei K1 (und alle
anderen mit K und einem Index bezeichneten Größen) eine Proportionalitätskonstante
bedeuten. Die Anzahl η der Ausgangsimpulse während der vorgegebenen Zeitspanne ist offensichtlich
gleich K,/N und hieraus folgt, daß η = K3/t* D^e Zahl n im
dritten Zähler ist also umgekehrt proportional zu t und damit ein Maß für die Frequenz oder Häufigkeit. Die Proportionalitätskonstante
K3 hängt von der Frequenz der Taktimpulse, der Frequenz der Referenzimpulse und der Länge des vorgegebenen
Zeitintervalles ab. Einer oder mehrere dieser Faktoren sind
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vorzugsweise derart veränderlich, daß man K Werte geben kann,
die eich für die verschiedensten technischen Anwendungen und Erfordernisse eignen.
Es ist z.B. üblich, die Anzahl der Ereignisse pro Sekunde oder pro Minute zu messen. Für seltene Ereignisse, z.
B. Impulse, die die Eindringgeschwindigkeit eines Bohrmeißels darstellen, kann es zweckmäßig sein, die Anzahl der Ereignisse
pro Stunde zu bestimmen. Allen diesen Anforderungen kann durch geeignete Wahl des Wertes von Kg Rechnung getragen
werden.
Die Taktimpulse werden vorzugsweise durch Frequenzteilung aus den Referenzimpulsen erzeugt, wofür man sich
eines verstellbaren Frequenzteilers bedienen kann. Die vorgegebene Zeitspanne kann durch Zählen einer vorgegebenen Anzahl
der Referenzimpulse festgelegt werden; die vorgegebene Anzahl der REferenzimpulse kann veränderbar sein.
Im folgenden soll ein typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden,
deren einzige Figur ein Blockschaltbildkieses Ausführungsbeispieles darstellt.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen Sensor 10, der Impulse t., t_ usw. entsprechend
den interessierenden Ereignissen liefert. Es kann sich um die verschiedensten Ereignisse handeln. Der Sensor kann z.B.
Impulse liefern, die während einer Umdrehung einer Rolle, einer Riemenscheibe oder dgl. oder durch irgend eine andere
Einrichtung erzeugt werden.
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Die Ereignisimpulse t^, t~ usw. werden einem ersten
Monovibrator 11, also monostabilen Kippschaltung, zugeführt. Der Ausgang des Monovibrators 11 ist mit einem Eingang
eines zweiten Monovibrators 12 sowie den Eingängen einer Ablagespeichereinheit 18 und einer Ausgangsspeichereinheit
verbunden. Beim Auslösen des Monovibrators 11 wird der Inhalt eines Zeitzählers 16 in der Ablagespeichereinheit 18 abgespeichert
und der Inhalt eines Ausgangszählers 17 in der Ausgangsspeichereinheit
20 abgespeichert; der Inhalt der Ausgangsspeichereinheit 20 wird durch eine nicht dargestellte
digitale Anzeigevorrichtung wiedergegeben.
Der Ausgang des zweiten Monovibrators 12 ist mit den Eingängen des Zeitzählers 16, des AusgangsZählers 17,
eines programmierbaren Frequenzgenerators 13 und einer Zeitreferenzeinheit
22 verbunden. Beim Auslösen des zweiten Monovibrators 12 werden der programmierbare Frequenzgenerator
13, der Zeitzähler 16 und der Ausgangszähler 17 auf Null zurückgestellt. Außerdem wird die Zeitreferenzeinheit 22 in Betrieb
gesetzt, so daß sie in der unten beschriebenen Weise zu arbeiten beginnt.
Der programmierbare Frequenzgenerator 13 ist ein verstellbarer Frequenzteiler mit einem typischen Taktfrequenzausgangsbereich
von 0,1 Hz bis 100 kHz und mit einer Auflösung von 0,01 %. Er liefert als Ausgangssignal eine
programmierbare oder wählbare Frequenz, die durch einen programmierbaren, mit binärcodierten Dezimalzahlen (BCD) arbeitenden
Schalter 14 bestimmt wird, welcher mit einem Eingang des programmierbaren Frequenzgenerators 13 verbunden ist.
Ein weiterer Eingang des programmierbaren Frequenzgenerators 13 ist mit dem Ausgang eines Kristalloszillators 15 verbunden,
der außerdem noch mit einem Eingang der Zeitreferenzeinheit 22 und außerdem einem von zwei Eingängen einer
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Torschaltung 25 gekoppelt ist. Der Kristalloszillator 15 arbeite tjvor zugsweise auf der Referenz frequenz 10 MHz und liefert
Ausgangssignale in Form von Zählimpulsen. Er steuert den programmierbaren Frequenzgenerator 13, der seinerseits
ein Ausgangssignal mit einer Frequenz liefert, die von der Einstellung des BCD-Schalters 14 abhängt,
Der programmierbare Frequenzgenerator 13 ist mit einem Eingang des Zeitzählers 16 verbunden. Die Ausgangsimpulse
vom Frequenzgenerator 13 werden durch den Zeitzähler vom Auftreten eines vorangegagenen Ereignisses an gezählt,
das im Monovibrator 12 gespeichert ist, der den Zeitzähler zurückgestellt hat.
Nachdem der Frequenzgenerator 13 in der beschriebenen Weise zurückgesetzt worden ist, werden seine Ausgangsimpulse
im Zeitzähler 16 fortlaufend akkumuliert. Die im Zähler 16 akkumulierte Zahl ist schließlich eine Funktion der
Zeitspanne zwischen den beiden Ereignissen (t- und t2). Da der
Frequenzgenerator programmierbar ist, kann für seine Ausgangsfrequenz ein solcher Wert gewählt werden, daß die Aufnahmekapazität
des Zeitzählers 16 während der Messung der Zeitspanne zwischen den beiden Ereignissen nicht überschritten wird, der
Zeitzähler aber andererseits bis zu einem wesentlichen Teil seines Aufnahmevermögens zählt. Man kann daher Zeitmessungen
in den verschiedensten Bereichen durchführen, z.B. während Zeitspannen von 0,0063 Sekunden bis zu einer Stunde zwischen
zwei Ereignissen.
Es sei beispielsweise nun angenommen, daß der Zeitzähler bei der Messung der Zeitspanne zwischen zwei Ereignissen
bis 50% seines Fassungsvermögens zählt und daß dann der zweite Ereignisimpuls auftritt. Der Inhalt des Zeitzählers
16 wird dann in die Ablagespeichereinheit 18 geschoben und der
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Frequenzgenerator 13 sowie der Zeitzähler 16 werden auf Null zurückgesetzt. Die zwischen den beiden Ereignissen verstrichene Zeit ist nun in der Ablagespeichereinheit 18 enthalten.
Der Kristalloszillator 15 liefert die Referenzimpulse,
deren Frequenz z.B. tausend Mal größer sein kann als die der dem Zeitzähler 16 zugeführten Zählimpulse, da man ja
die Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators 13 praktisch frei wählen kann. Wenn eine Messung zwischen zwei Ereignissen
beispielsweise 10 Minuten dauert, kann die Frequenz der Eingangsimpulse für den Zeitzähler 16 z.B. 100 Hz betragen.
Um ein Maß für die Frequenz oder Häufigkeit zu erhalten, wird festgestellt, wie oft der erste Zählwert, d.h.
die in der Ablagespeichereinheit 18 gespeicherte Zahl, die die zwischen den beiden Ereignissen verstrichene Zeit angibt,
innerhalb einer Bezugszeitspanne erreicht werden kann. Dies wird mit Hilfe eines Vergleichers 19 erreicht, der in üblicher
Weise mit der Ablagespeichereinheit 18 verbunden ist. Der Vergleicher 19 ist außerdem in üblicher Weise mit einem
1/T-ümsetzer oder Synchronzähler verbunden. Die Zeitreferenzeinheit
22 ist mit einem zweiten Eingang der Torschaltung 25 bekoppelt, deren Ausgang an den Synchronzähler 21 angeschlossen
ist. Die Zeitreferenzeinheit 22 macht die Torschaltung 25 für ein vorgegebenes Zeitintervall durchlaßbereit,
das durch eine vorwählbare Anzahl von Referenzimpulsen bestimmt wird. Eine Ausgangsleitung 23 des Vergleichers 19 ist
mit einem Eingang eines dritten Monovibrators 24 verbunden, der seinerseits an einen Eingang des Synchronzählers 21 angeschlossen
ist. Die Ausgangsleitung 23 des Vergleichers 19
ist ferner mit einem Eingang des Ausgangsζahlers 17 verbunden.
Wie oft der erste Zählwert in der Ablagespeichereinheit 18 innerhalb einer BezugsZeitspanne (die durch die Zeitre-
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ferenzeinheit 22 festgelegt wird) erreicht werden kann, wird
also mit Hilfe des Vergleichers 19, des Umsetzers oder Synchronzählers
21, der Zeitreferenzeinheit 22, des Kristalloszillators 15 \ind des dritten Monovibrators 24 bestimmt.
Im Betrieb liefert der Vergleicher 19 immer dann ein Ausgangssignal oder einen Ausgangsimpuls auf der Ausgangsleitung
23, wenn der in der Ablagespeichereinheit 18 gespeicherte erste Zählwert vom Umsetzer oder Synchronzähler
21 erreicht wird. Die auf der Ausgangsleitung 23 auftretenden
Ausgangsimpulse des Vergleichers 19 werden durch den Ausgangszähler 17 gezählt. Der Synchronzähler 21 wird auf Null
zurückgestellt, bevor der nächste Zählimpuls vom Kristalloszillator 15 über die Torschaltung 25 eintrifft, indem der
dritte Monovibrator 24 durch das Ausgangssignal des Komparators 19 angestoßen wird. Der Synchronzähler 21 hört am
Ende der BezugsZeitspanne, die durch die Zeitreferenzeinheit
22 festgelegt wird, mit dem Zählen auf. Der Ausgangszähler
19 enthält nun einen Zählwert, der ein Maß für die Frequenz oder Häufigkeit der ersten beiden Ereignisse ist und sein Inhalt
wird durch den ersten Monovibrator 11 in die Ausgangsspeichereinheit 20 verschoben, wenn das nächste Ereignis
durch den Sensor 10 wahrgenommen wird. Der dem Monovibrator .11 zugeführte Impuls leitet dann einen neuen Zyklus der erläuterten
Art ein.
Die Zeit zwischen einem Ereignisimpuls und dem nächsten wird also durch den Zeitzähler 16 bestimmt und beim
Eintreffen des zweiten Ereignisimpulses wird die der verstrichenen Zeit entsprechende Information in der Ablagespeichereinheit
18 gespeichert, um später in einen Frequenz- oder Häufigkeitswert umgesetzt zu werden. Außerdem werden die
Zeitschaltungen auf Null zurückgestellt und die verstreichende Zeit wird wieder durch Akkumulation von Impulsen gemessen,
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bis der nächste Ereignisimpuls auftritt. Das Ende jeder Zeltbestimmung 1st also gleichzeitig der Beginn einer neuen
Zeltbestimmung. Während der Messung einer neuen Zeltspanne
wird das Reziproke der Information entsprechend der vorher gemessenen verstrichenen Zelt durch Zählen der Ausgangsimpulse
des Vergleichers 19 bestimmt und der dabei resultierende Häufigkeits- oder Frequenzwert wird durch eine nicht
dargestellte digitale Anzeigeeinheit angezeigt, die in üblicher Weise mit der Ausgangsspeichereinheit 20 verbunden
ist.
Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ermöglicht also eine unkomplizierte, echte Häufigkeits- oder
Frequenzmessung, die «owohl linear als auch genau ist. Unabhängig
davon lassen sich sowohl der Tellungsfaktor des
programmierbaren Frequenzgenerators 13 als auch das durch die Zeitreferenzeinheit 22 bestimmte Zeitintervall so einstellen,
daß den verschiedensten Anforderungen Rechnung getragen werden kann. Für langsame Vorgänge und seltene Ereignisse
wird der Erteilungsfaktor groß gemacht, so daß die dem Zeitzähler 16 zugeführten Taktimpulse eine relativ niedrige
Frequenz haben. Gleichzeitig wird das durch die Zeitreferenzeinheit 22 bestimmte Intervall relativ lang gemacht.
Für schnelle Vorgänge verwendet man entgegengesetzte Einstellungen. Die Einstellungen können immer so gewählt werden,
daß die in die Ausgangsspeichereinheit 20 übertragene Zahl die Frequenz oder Häufigkeit direkt in Ereignissen pro
Zeiteinheit angibt, gleichgültig um welche Einheit es sich bei der betreffenden Anwendung handelt.
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Claims (5)
- — Q —Patentansprüche( 1. /Digitale Schaltungsanordnung zum Messen der momentanen Frequenz von durch Impulse dargestellten Ereignissen/ mit einem Zeitzähler zum Zählen der Anzahl von Taktimpulsen, die zwischen aufeinanderfolgenden Ereignisimpulsen auftreten, und mit einer Vorrichtung zur reziproken Umrechnung des Zählwertes, gekennzeichnet durch einen Speicher (18) zum Speichern des ermittelten Zählwertes; einen zweiten Zähler (21) zum Zählen von Referenzimpulsen während einer vorgegebenen Zeitspanne; einen Vergleicher (19), der den Zählwert im Speicher (18) mit dem Zählwert im zweiten Zähler (21) vergleicht und einen Ausgangsimpuls (auf der Leitung 23) liefert, wenn die Zählwerte gleich werden; eine durch den Ausgangsimpuls gesteuerte Rückstellvorrichtung (24) für den zweiten Zähler (21); und einen dritten Zähler (17) zum Zählen der Ausgangsimpulse des Vergleichers (19).
- 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Frequenzteiler (13) zum Erzeugen der Taktimpulse aus den Referenzimpulsen.
- 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzteiler (13) verstellbar ist.
- 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine die Referenzimpulse zählende Schaltungseinheit (22) zum Bestimmen der vorgegebenen Zeitspanne.509821/0228
- 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der durch die Schaltungseinheit (22) gezählten Referenzimpulse und damit die vorgegebene Zeitspanne verstellbar sind.509821/0228
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