DE2431825B2

DE2431825B2 - Digitale messchaltung fuer die momentane haeufigkeit von durch messimpulse darstellbaren ereignissen

Info

Publication number: DE2431825B2
Application number: DE19742431825
Authority: DE
Inventors: William H Tustin Calif. Terbrack (V.StA.)
Original assignee: Gardner Denver Inc
Current assignee: Gardner Denver Inc
Priority date: 1973-07-03
Filing date: 1974-07-02
Publication date: 1978-01-05
Also published as: JPS5077068A; DE2431825C3; DE2431825A1; US3842347A; GB1434450A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßschaltung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

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. 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.

Aus der DL-PS 68 560 ist eine digitale Meßschaltung für die momentane Häufigkeit von durch Meßimpulse darstellbaren Ereignissen bekannt, die einen Zeitzähler zum Wählen der Anzahl von zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ereignisimpulsen auftretenden Norm-Zählimpulsen und eine den Kehrwert dieser Anzahl bildende Einrichtung aufweist, welche einen zweiten Zähler zum Zählen von innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes auftretenden Bezugsimpulsen konstanter Folgefrequenz, eine bei Gleichheit der Zählerstände des Zeitzählers und des zweiten Zählers einen den zweiten Zähler zurückstellenden Ausgangsimpuls abgebende Vergleichsschaltung und einen dritten, diese Ausgangsimpulse zählenden Zähler enthält. Hierbei werden nur während ungeradzahliger Zyklen (Zeitraum zwischen zwei Ereignisimpulsen) Taktimpulse gezählt, und nur in den dazwischenliegenden geradzahligen Zyklen werden Bezugsimpulse für die Kehrwertbildung gezählt. Dieser Wechsel zwischen Meßzyklen und (Kehrwert)-Berechnungszyklen erfolgt unter Steuerung durch ein Flipflop, welches abwechselnd zwei Torschaltungen einschaltet. Bei dieser bekannten Anordnung wird festgestellt, wie oft der zweite Zähler innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls Bezugsimpulse bis zum Erreichen des Zählerstandes des Zeitzählers zählen kann. Hat der Zeitzähler den Zählerstand N, ist das vorbestimmte Zeitintervall Tund die Bezugsfrequenz f, dann kann der zweite Zähler M-mal bis zum Zählerstand des Zeitzählers zählen, wobei sich dieses M berechnet aus

M =

N-XIf

f-T

N '

Zur Steuerung der zeitlichen Abfolge werden auch monostabile Glieder herangezogen, mittels deren Haltezeit Zeitverzögerungen bewirkt werden.
Ein Rechenzähler für ein Zählverfahren ist ferner

:ii durch die DT-OS 19 29 288 bekanntgeworden, bei welcher die Reziprokwertbildung jedoch in anderer Weise durchgeführt wird, indem nämlich der Zählerstand N immer wieder aufs Neue in einen Zwischenspeicher eingegeben wird, wobei dann festgestellt wird, wie

r> oft dieses wiederholte Eingeben möglich ist, ehe der Zwischenspeicher überläuft. Auch bei diesem Zähler erfolgt ein Wechsel zwischen Meßzyklen und Berechnungszyklen für den Kehrwert, wobei eine periodische Start-Stop-iichaltung in gleicher Weise wie der im

κι Zusammenhang mit der DL-PS 68 560 erwähnte Flipflop arbeitet: In den ungeradzahligen Zyklen werden Taktimpulse von einem Oszillator einem als Zeitzähler arbeitenden Register zugeführt, in den dazwischenliegenden Zyklen wird die Frequenz-Start-

r> Stop-Schaltung zur Einschaltung eines Tores angesteuert, so daß jede Übertragung zu einem Zwischenspeicher mittels eines Frequenzregisters gezählt werden kann. Die Taktimpulse sämtlicher Zyklen können nicht gezählt werden, da sich dann der Zählstand des als

4(i Zeitzähler arbeitenden Registers kontinuierlich ändern wüide und eine Reziprokwertbildung keine Aussage ergeben würde.

Gemäß den beiden erwähnten Literaturstellen müssen also Taktimpulse während ungerader Zyklen

4") gezählt werden, und es verbleibt dann ein fester Zählerstand in einem Register, der während der geraden Zyklen in einen Kehrwert umgewandelt wird. Eine Frequenzmessung kann also n'cht für jeden, sondern nur für jeden zweiten Impuls erfolgen.

■ι» Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer digitalen Meßschaltung, welche bei mit unterschiedlichen Zeitabständen auftretenden Ereignisimpulsen eine kontinuierliche Messung der Momentanfrequenz unter Berücksichtigung jedes Impulses erlaubt

V) und sich außerdem durch einen einfachen Aufbau auszeichnet. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Meßschaltung erfolgt die

w) Bestimmung der Momentanfrequenz nicht, wie beim vorstehend erörterten Stand der Technik, nur aufgrund jedes zweiten Meßimpulses, sondern aufgrund jedes Meßimpulses, so daß man also eine wesentlich größere Genauigkeit der Messung erhält. Dies ist erfindungsge-

μ maß dadurch möglich, weil am Ende jedes Zyklus der Zählerstand des Zeitzählers in einem Speicher übertragen wird und der Zeitzähler somit sofort wieder für den nächstfolgenden Zyklus zur Zählung von Taktimpulsen

zur Verfügung steht, während inzwischen aus dem Inhalt des Speichers der Kehrwert gebildet wird. Die Funktion dieses Speichers ist eine ganz andere als im Falle der DT-OS 19 29 288, so daß kein diesbezüglicher Vergleich möglich ist. ί

Wenn der durch den Zeitzähler ermittelte Zählwert gleich der Zahl Wist und t die zwischen iwei Ereignissen verstrichene Zeit ist, so gilt N — K\t, wobei K\ (und alle anderen mit K und einem Index bezeichneten Größen) eine Proportionalitätskonstante bedeuten. Dia Anzahl η ι ο der Ausgangsimpulse während der vorgegebenen Zeitspanne \zt offensichtlich gleich K2/N, und hieraus folgt, daß η = K₃Zt ist. Die Zahl π im dritten Zähler ist also umgekehrt proportional zu t und damit ein Maß für die Frequenz ode·- Häufigkeit. Die Proportionalitäts- r> konstante K3 hängt von der Frequenz der Taktimpulse, der Frequenz der Bezugsimpulse und der Länge des vorgegebenen Zeitintervalls ab. Einer oder mehrere dieser Faktoren sind vorzugsweise derart veränderlich, daß man K-Werte geben kann, die sich für die >o 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 2ϊ zweckmäßig sein, die Anzahl der Ereignisse pro Stunde zu bestimmen. Allen diesen Anforderungen kann durch geeignete Wahl des Wertes von Ki Rechnung getragen werden.

Die Taktimpulse werden vorzugsweise durch Frequenzteilung aus den Bezugsimpulsen abgeleitet; hierfür kann man einen verstellbaren Frequenzteiler benutzen. Die vorgegebene Zeitspanne kann durch Zählen einer vorgegebenen Anzahl der Bezugsimpulse festgelegt werden, die veränderbar sein kann. ;>

Im folgenden soll ein typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden, deren einzige Figur ein Blockschaltbild dieses Ausführungsbeispiels darstellt.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung 4» enthält einen Sensor 10, der Impulse u, t2 usw. entsprechend den interessierenden Ereignissen liefert, die ganz verschiedener Art sein können. Der Sensor kann z. B. Impulse liefern, die während einer Umdrehung einer Rolle, einer Riemenscheibe od. dgl. oder ■»> durch irgendeine andere Vorrichtung erzeugt werden.

Die Ereignisimpulse fj, /2 usw. werden einem ersten Monovibrator 11 (monostabile Kippschaltung) zugeführt, der eine kurze Haltezeit (z. B. 0,2 μϊ) hai und jeden Ereignisimpuls in einen Impuls konstanter Breite >o umwandelt. Der Ausgang des Monovibrators 11 ist mit einem Eingang eines zweiten Monovibrators 12 sowie den Eingängen eines Zwischenspeichers 18 und eines Ausgangsspeichers 20 verbunden. Beim Setzen des Monovibrators 11 wird der Inhalt eines Zeitzählers 16 ·« irn Zwischenspeicher 18 abgespeichert und der inhalt eines Ausgangszählers 17 im Ausgangsspeicher 20 abgespeichert; der Inhalt des Ausgangsspeichers 20 wird durch eine nicht dargestellte digitale Anzeigevorrichtung wiedergegeben. wi

Der Ausgang des zweiten Monovibrators 12 ist mit den Eingängen des Zeitzählers 16, des Ausgangszählers 17, eines einstellbaren Frequenzteilers 13 und einer Zeitbezugseinheit 22 verbunden. Beim Auslösen des zweiten Monovibrators 12 werden der Frequenzteiler μ 13, der Zeitzählter 16 und der Ausgangszähler 17 auf Null zurückgestellt. Außerdem wird die Zeitbezugseinheit 22 in Betrieb gesetzt, so daß sie in der unten beschriebenen Weise zu arbeiten beginnt. Die durch den Monovibrator 12 bewirkte Verzögerung ist kurz (z. B. 0,2 \is), so daß der Inhalt der Zähler Ϊ6 und 17 in die Speicher 19 bzw. 20 übertragen wird, ehe die Zähler zurückgestellt werden.

Der Frequenzteiler 13 liefert typischerweise Ausgangstaktfrequenzen im Bereich von 0,1 Hz bis 100 kHz und mit einer Auflösung von 0,01%. Er liefert als Ausgangssignal eine voreinstellbare Frequenz, die durch einen mit binärcodierten Dezimulzahlen (BCD) arbeitenden Schalter 14 bestimmt wird, welcher mit den Eingängen des Frequenzteilers 13 verbunden ist. Ein weiterer Eingang des Frequenzteilers 13 ist mit dem Ausgang eines Quarzoszillators 15 verbunden, der außerdem noch mit einem Eingang der Zeitbezugseinheit 22 und außerdem einem von zwei Eingängen einer Torschaltung 25 gekoppelt ist. Der Oszillator 15 arbeitet vorzugsweise auf der Bezugsfrequenz 10 MHz und liefert Ausgangssignale in Form von Zählimpulsen. Er steuert den Frequenzteiler 13, der seinerseits ein Ausgangssignal mit einer Frequenz liefert, die von der Einstellung des BCD-Schalters f 4 abhängt.

Der Frequenzteiler 13 ist mit einem Eingang des Zeitzählers 16 verbunden, der die Ausgangsimpulse des Frequenzteilers 13 vom Auftreten eines vorangegangenen Ereignisses an zählt, das im Monovibrator 12 gespeichert ^;st, der den Zeitzähler 16 zurückgestellt hat.

Nachdem der Frequenzteiler 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 ft). Da der Frequenzteiler einstellbar 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 den Zwischenspeicher 18 geschoben, und der Frequenzteiler 13 sowie der Zeitzähler 16 werden auf Null zurückgesetzt. Die zwischen den beiden Ereignissen verstrichene Zeit ist nun in der Ablagespeichereinheit 18 enthalten.

Der Oszillator 15 liefert die Bezugsimpulse, deren Frequenz z. B. tausendmal größer sein kann als die der dem Zeitzähler 16 zugeführten Zählimpulse, da man ja die Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers 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 der Ereignisimpulse zu erhalten, wird festgestellt, wie oft der erste Zählwert, d. h. die im Zwischenspeicher 18 gespeicherte Zahl, die die zwischen den beiden Ereignissen verstrichene Zeit angibt, innerhalb einer Bezugszeitspanne von einem mit einer festen Frequenz beaufschlagten Zähler erreicht werden kann. Dies wird mit Hilfe eines Vergleichers 19 erreicht, der in üblicher

Weise mit dem Zwischenspeicher 18 verbunden ist. Der Vergleicher 19 ist außerdem in üblicher Weise mit einem 1/T-Umsetzer oder Synchronzähler verbunden. Die Zeitbezugseinheit 22 ist mit einem zweiten Eingang der Torschaltung 25 gekoppelt, deren Ausgang an den Synchronzähler 21 angeschlossen ist. Die Zeitbezugseinheit 22 macht die Torschaltung 25 für ein vorgegebenes Zeitintervall durchlaßbereit, das durch eine vorwählbare Anzahl von Bezugsimpulsen 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 Ausgangszählers 17 verbunden.

Immer wenn der Inhalt des Zählers 21 den Inhalt des Speichers 18 erreicht, wird dem Zähler 17 ein Impuls zugeführt, und dann wird nach einer kurzen Verzögerung (etwa 0,06 μ5), die durch den Monovibrator 24 bestimmt wird, der Zähler 21 zurückgestellt und kann erneut zu zählen beginnen. Der Synchronzähler 21 wird nach Eintreffen jedes Vergleichsimpulses aus 19 jeweils auf Null zurückgestellt, bevor der nächste Zählimpuls vom Oszillator 15 über die Torschaltung 25 eintrifft, indem der dritte Monovibrator 24 durch den Ausgangsimpuls des !Comparators 19 gesetzt wird. Wie oft der erste Zählwert im Zwischenspeicher 18 innerhalb einer Bezugszeitspanne (die durch die Zeitbezugseinheit 22 festgelegt wird) erreicht werden kann, wird also mit Hilfe des Vergleichers 19, des Umsetzers oder Synchronzählers 21, der Zeitbezugseinheit 22, des Oszillators 15 und des dritten Monovibrators 24 bestimmt. Der Synchronzähler 21 hört am Ende der durch die Zeitbezugseinheit 22 festgelegten Bezugszeitspanne 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 den Ausgangsspeicher 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 festgehalten und beim Eintreffen des zweiten Ereignisimpulses wird die der verstrichenen Zeit entsprechende Information im Zwischenspeicher 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, bis der nächste Ereignisimpuls auftritt. Das Ende jeder Zeitbestimmung ist also gleichzeitig der Beginn einer neuen Zeitbestimmung. Während der Messung einer neuen Zeitspanne wird das Reziproke der Information entsprechend der vorher gemessenen verstrichenen Zeit 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 dem Ausgangsspeicher 20 verbunden ist.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ermöglicht also eine unkomplizierte, echte Häufigkeitsoder Frequenzmessung, die sowohl linear als auch genau ist. Unabhängig davon lassen sich sowohl der Teilungsfaktor des Frequenzteilers 13 als auch das durch die Zeitbezugseinheit 22 bestimmte Zeitintervall so einstellen, daß den verschiedensten Anforderungen Rechnung getragen werden kann. Für langsame Vorgänge und seltene Ereignisse wird der Teilungsfaktor groß gemacht, so daß die dem Zeitzähler 16 zugeführten Taktimpulse eine relativ niedrige Frequenz haben. Gleichzeitig wird das durch die Zeitbezugseinheit 22 bestimmte Intervall relativ lang gemacht. Für schnelle Vorgänge verwendet man entgegengesetzte Einstellungen. Die Einstellungen können immer so gewählt werden, daß die im Ausgangsspeicher 20 übertragene Zahl die Frequenz oder Häufigkeit direkt in Ereignissen pro Zeiteinheit angibt, gleichgültig, um welche Einheit es sich bei der betreffenden Anwendung handelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Digitale Meßschaltung für die momentane Häufigkeit von durch Meßimpulse darstellbaren Ereignissen mit einem Zeitzähler zum Zählen der Anzahl von zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ereignisimpulsen auftretenden Norm-Zählimpulsen und einer den Kehrwert dieser Anzahl bildenden Einrichtung, welche einen zweiten Zähler zum Zählen von innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes auftretenden Bezugsimpulsen konstanter Folgefrequenz, eine bei Gleichheit der Zählerslände des Zeitzählers und des zweiten Zählers einen den zweiten Zähler zurückstellenden Ausgangsimpuls abgebende Vergleichsschaltung und einen dritten, diese Ausgangsimpulse zählenden Zähler enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zeitzähler (16) und die Vergleichsschaltung (19) ein Speicher (18) eingefügt ist, in den auf jeden Ereignisimpuls hin der Inhalt des Zeitzählers (16) unter gleichzeitiger Lösung des Zeitzählers (16) und des dritten Zählers (17) und Einleitung des vorbestimmten Zeitintervalls für die Zählung der Bezugsimpulse übertragen wird.

2. Meßschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Ausgangsspeicher (20), dem bei jedem Ereignisimpuls der Inhalt des dritten Zählers (17) zugeführt wird.