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Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung oder Überwachung
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der frequenzabhängigen Gruppenlaufzeit eines Vierpols Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung oder Überwachung der frequenzabhängigen
Gruppenlaufzeit eines Vierpols mit einer Meßspannung, deren Frequenz innerhalb eines'
vorgegebenen Bereichs mit linearer Zeitabhängigkeit variiert wird, sowie auf Schaltungsanordnungen
zur lurchfü.hrung des Verfahrens.
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Bei den bekannten Meßverfahren dieser Art wird die dem Vierpol zugeführte
Meßspannung zusätzlich in ihrer Amplitude niederfrequent, moduliert. Aus der empfangsseitig
ermittelten Phasenverschiebung der Einhüllenden wird dann auf die Laufzeit des Vierpols
geschlossen. Dieses zuerst von Nyquist entwickelte Verfahren setzt jedoch den Einsatz
eines in der Frequenz und Amplitude modulierbaren Meßsenders voraus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren
so zu verbessern, daß es mit einem wesentlich geringeren schaltungstechnischen Aufwand
durchgeführt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die dem
Vierpol zugeführte und die am Vierpolausgang abgegriffene Meßspannung miteinander
gemischt werden und daß die als Mischprodukt gebildete Differenzfrequenz beider
Spannungen als Maß für die.Gruppenlaufzeft bzw.
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die Gruppenlaufzeitverzerrungen des Vierpols ausgewertet wird.
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Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin,
daß als Meßsender ein einfacher Wobbelsender verwendet werden kann, dessen Ausgangsspannung
neben einer relativ langsamen Frequenz wobbelung keine weitere Modulation erfährt.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung wird entweder
eine der Differensfrequenz proportionale Spannung gewonnen,
wobei'diese
in Abhängigkeit von der Meßfrequenz bildlich dargestellt wird, oder eine fortlaufende
Zählung der Differenzfrequenz bzw. der zugeordneten Periodendauer vorgenommen, wobei
die jeweils erhaltenen Zählwerte mit einem vorgegebenen Wert verglichen werden und
die ber- oder Unterschreitung des letzteren angezeigt bzw. registriert wird.
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Feine für große Frequenzänderungsgeschwindigkeiten und womit hohe
Wobbelfrequenzen besonders geeignete Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Meßspannung nach einer linearen
Zeitfunktion konstanter absoluter Steilheit in abwechselnd gegenläufiger Richtung
(Dreiecksfunktion) variiert wird und daß aus den für eine selektierte Frequenz jeweils
während des Frequenzhinlaufs und des Frequenzrücklaufs erhaltenen Werten der Differenzfrequenz
das arithmetische Mittel gebildet und als Maß für die Gruppenlaufzeit des Vierpols
bei der selektierten Frequenz ausgewertet wird.
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Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in
der Zeichnung dargestellter, zu seiner Durchfahrung geeigneter Schaltungsanordnungen
näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 eine analoge Schaltungsanordnung zur Gruppenlaufzeitmessung,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit einem digitalen Auswerteteil zur Überwachung
der Gruppenlaufzeit, Fig. 3 eine mit vergrößerter Meßgenauigkeit arbeitende Schaltungsanordnung
zur Überwachung der Gruppenlaufzeit und Fig. 4 eine für hohe Wobbelfrequenzen geeignete
Schaltungsanordnung zur Gruppenlaufzeitmessung bzw. -überwachung.
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In Fig. 1 ist der hinsichtlich seiner Gruppenlaufzeit zu messende
bzw. zu überprüfende Vierpol als ein Nachrichtenkabel K dargestellt, dessen Anfang
A mit einem Meßsender 1 beschaltet' ist, während sein Ende E an dem ersten Eingang
eines Mischers 2 liegt,
dessen zweiter Eingang über A mit dem Ausgang
des Meßsenders 1 beschaltet ist. Der Meßsender 1 ist als Wobbelsender ausgebildet,
der in Abhängigkeit von einer Wobbelspannung Uw linearer Zeitabhängigkeit, die von
einem Generator 3 erzeugt wird und beispielsweise eine Sägezahnform aufweist, in
seiner Frequenz moduliert wird. Bezeichnet man die dem Kabelanfang A zugeführte
Meßspannung mit Um und ihre Frequenz mit fm, so erhält man am Kabelende E eine durch
die Laufzeiteigenschaften von K beeinflußte Spannung Um' der Frequenz fm'. Im Mischer
2 wird ein Mischprodukt mit der Differenzfrequenz D = fm-fmZ gebildet, das man mittels
eines Tiefpasses 4 selektiert. Weist das Kabel K für unterschiedliche Frequenzen
fm unterschiedliche Phasen- bzw. Gruppenlaufzeiten auf, was im allgemeinen der Fall
ist, so ändert sich die Frequenz fD im Verlauf eines Frequenzdurchlaufs von fm entsprechend.
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Am Ausgang eines dem Tiefpaß 4 nachgeschalteten Begrenzers 5 gewinnt
man eine Rechteckspannung 6, deren Nulldurchgänge denen der von 4 selektierten Spannung
der Differenzfrequenz fD entsprechen.
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Eine monostabile Kippstufe 7, die von den negativen Flanken 8 bis
10 der Rechteckspannung 6 aus ihrer Ruhelage gekippt wird, gibt eine Impulsspannung
11 ab, deren Vorderflanken 12 bis 14 usw. mit den negativen Flanken 8 bis 10 usw.
von 6 zeitlich zusammenfallen.
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Da die von 7 abgegebenen Impulse jeweils eine konstante Länge aufweisen,
leitet ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter 15 mit hinreichend niedriger Grenzfrequenz
aus ihnen eine Gleichspannung Ub ab, deren Amplitude der Frequenz fD proportional
ist. In einem Zwei-Koordinaten-Anzeige oder -Registriergerät 16, das beispielsweise
als Kathodenstrahloszillograf mit einem Bildschirm 17 ausgebildet ist, kann dann
Ut als Funktion der Frequenz in Form einer Kurve 18 dargestellt werden. Zu diesem
Zweck wird Uc der ersten Ablenkeinrichtung des-Geräts 16 zugeführt, während die
Wobbelspannung Uw dessen zweite Ablenkeinrichtung beeinflußt. Anstelle eines Kathodenstrahloszillografen
kann das Gerät 16 beispielsweise auch als XT-Schreiber ausgebildet sein, sofern
die Kurve 18 in einfacher Weise registriert werden soll und die Frequenzänderungsgeschwindigkeit
von fm hinreichend klein ist.
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Es läßt sich zeigen, daß unter der Voraussetzung einer zeit linearen
Änderung von fm mit der Steilheit 8 folgende Beziehung zwischen der zeitabhängigen
Frequenz fD und der Gruppenlaufzeit r des Kabels K besteht:
Dabei bedeutet Lz ein Störglied, das infolge der Frequenz änderung des Meßsenders
1 auftritt und die Proportionalität zwischen fD bzw.
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U# und # stört. #z ist gegeben durch den Ausdruck #z = #.S(2a'a" -
2b'b" - a'''), (2) wobei a', a" und at" jeweils die erste, zweite und dritte Ableitung
des Dämpfungsmaßes a des Kabels K nach der Kreisfrequenz #= 2#.(fm) und b' bzw.
b" die erste bzw. zweite Ableitung seines Phasenmaßesb nach S darstelJen.
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Wählt man also die Steilheit S bei dem vorliegenden Verfahren hinreichend
klein, so kann man rz vernachlässigen und die gemessene Frequenz fD ist der interessierenden
Gruppenlaufzeit t weitgehend proportional. Wie aus der Beziehung (1) hervorgeht,
darf S andererseits eine Mindestgröße nicht unterschreiten, damit fD und somit auch
die erreichbare Meßgenauigkeit nicht zu klein werden.
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Man kann den auszumessenden Vierpol, z.B. das Nachrichtenkabel K,
durch ein in möglichst kleinen Stufen umschaltbares Gruppenlaufzeitnormal ersetzen
und die Meßanordnung nach Fig. 1 unmittelbar in Werten der Gruppenlaufzeit t eichen,
was weiterhin den Vorteil mit sich bringt, daß an der auf diese Weise erhaltenen,
den Bildschirm des Geräts 16 in vertikaler Richtung liberdeckenden Skalenteilung
sowohl die absolute Gruppenlaufzeit L als auch die Gruppenlaufzeitverzerrungen dt
gegenüber einer Bezugslinie abgelesen werden können.
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Pig. 2 zeigt eine Meßanordnung zur Durchführung des bereits anhand
von Fig. 1 erläuterten Verfahrens, bei der lediglich anstelle der analogen Auswertung
der Differenzfrequenz fD eine digitale Auswertung vorgesehen ist. Dies geschieht
in der Weise, daß die einzelnen Impulse der Impulsspannung 6, die am Ausgang des
Begrenzers 5 abgreifbar ist, über eine Torschaltung 19 in einen Zähler 20 eingezählt
werden. Die Torschaltung 19 wird dabei durch eine Folge von gleichlangen Torimpulsen
21, 22 usw., die über einen Eingang 23 zugeführt werden, periodisch geöffnet. Kennt
man den Zählwert, der sich für einen vorgegebenen Sollwert der Gruppenlaufzeit L
des Kabels K ergibt, so kann man diesen um gewünschte Toleranzbeträge erhöhen und
verringern und die somit gefundenen Toleranzgrenzwerte in hierfür vorgesehene Speicher
24 und 25 eingeben. In Eomparatoren 26, 27, die dem Zählerausgang 28 nachgeschaltet
sind, kann dann das Uberschreiten des Toleranzbereichs durch die Gruppenlaufzeitverzerrungen
(als Abweichungen vom Sollwert der Gruppenlaufzeitz in Richtung auf zu große oder
zu kleine Werte von z festgestellt und über die Ausgänge 29 und 30 mittels entsprechender
Signale S1, S2 angezeigt oder registriert werden. Der dem vorgegebenen Sollwert
von Z entsprechende Zählwert kann dabei durch Einschaltung eines Gruppenlaufzeitnormals
anstelle von K am Zähler 20 abgelesen werden.
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Bildet man den Zähler 20 in an sich bekannter Weise so aus, daß er
zunächst den größten der bei einem Frequenzdurchlauf von fm erhaltenen Zählwertespeichert,
so kann z.B. dem Komparator 26 ein Zählwert eingegeben werden, der gegenüber diesem
größten Zählwert um einen Betrag verringert ist, der der gesamten Toleranzbreite
der Gruppenlaufzeitverzerrungen dT entspricht. Ein Verlassen des Toleranzbereichs
durch AT wird dann bei einem neuerlichen Frequenzdurchlauf von fm durch ein Signal
S1 angezeigt. In analoger Weise kann das mittels 52 auch dadurch geschehen, daß
der Zähler 20 lediglich den kleinsten Zählwert speichert und dem Komparator 27 ein
Zählwert eingegeben wird, der um einen der gesamten Toleranzbreite von Ab entsprechenden
Betrag gegenilber dem kleinsten Zählwert vergrößert ist.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung bzw.
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Überwachung der Laufzeit des Kabels K, die mit einer gegenüber Fig.
2 erhöhten Auflösung arbeitet. Zu diesem Zweck wird die vom Begrenzer 5 gelieferte
Impulsspannung 6 einem 2:1-Frequenteiler 31 zugeführt, der eine Rechteckspannung
abgibt, deren einzelne Impulse 32, 33 in ihrer Breite der sich in Abhängigkeit von
ändernden Periodendauer der Impulsspannung 6 entsprechen. Weiterhin ist ein Iaktimpulsgenerator
34 vorgesehen, dessen mit hoher Folgefrequenz erzeugte Taktimpulse während der durch
die Impulse 32, 33 usw. gegebenen Öffnungszeiten der Torschaltung 19 in den Zähler
20 eingezählt werden. Das in 20 erhaltene Zählergebnis entspricht dabei jeweils
der Periodendauer des selektierten Mischproduktes und damit auch der Differenzfrequenz
fD. Dabei ist es zweckmäßig, das erhaltene Zählergebnis in einer Umrechnungsstufe
35 zunächst in den reziproken Zahlenwert umzuformen, bevor die eigentliche digitale
Auswertung mittels der bereits beschriebenen chaltungsteile 24 bis 27 sowie 29 und
30 erfolgt. Andererseits ist es auch möglich, das in 20 unmittelbar erhaltene Zählergebnis
weiter auszuwerten, wobei die in die Speicher 24 und 25 eingegebenen Vergleichsgrößen
den reziproken Werten der für die Toleranzgrenzen vorgesehenen Zählwerte entsprechen
müssen.
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Mit steigender Wobbelfrequenæ und somit ansteigender Frequenzanderungsgeschwindigkeit
bzw. Steilheit S tritt das die Proportionalität zwischen Ur bzw. D und T störende
Störglied 1 immer stärker in Erscheinung. Fig. 4 zeigt nun eine Schaltungsanordnung,
bei der diese Proportionalitat auch bei hohen Wobbelfrequenzen gewährleistet ist.
Dabei wird die Frequenz fm der Meßspannung Um nach einer linearen Zeitfunktion konstanter
absoluter Steilheit in abwechselnd gegenläufiger Richtung variiert, was durch die
Zuführung einer vom Generator 3 gelieferten Dreiecks spannung an den Frequenzsteuereingang
des Meßsenders 1 geschieht. Die ausgangsseitig vom Begrenzer 5 auftretende Impulsspannung
6 wird dabei während vorgegebener Meßzeiten, die durch die Steuerung einer Torschaltung
36 gegeben sind, in den Zähler 20 eingezählt. Die Steuerung
von
36 erfolgt in der Weise, daß eine bestimmte feste Frequenz fm selektiert wird und
der Eingang von 20 jeweils beginnend mit den Zeitpunkten, in denen der selektierte
Wert von fm während des Frequenzhinlaufs und des Frequenzrücklaufs erreicht wird,
für jeweils vorgegebene Zeitspannen freigegeben wird. Im einzelnen erfolgt die Zeitselektion
mit Hilfe eines Komparators 37, dem die dreieckförmige Wobbelspannung Uw und eine
einstellbare Vergleichsspannung Uo zugeführt werden. Ein bei Spannungsgleichheit
gebildeter Komparatorimpuls 38, der in einer Impulsformerstufe 39 eine gewünschte
Breite erhält, dient dann als Torimpuls 40 für die Torschaltung 36. In den Zähler
20 werden dabei jeweils die während des Frequenzhinlaufs und die während des folgenden
Brequenzrücklaufs auftretenden, mit den Torimpulsen 40 zeitlich zusammenfallenden
einzelnen Impulse der Impulsspannung 6 eingezälilt. Teilt man die erhaltene Summe
in einer dem Zähler 20 nachgeschalteten Stufe 41 durch den Faktor 2, so kann man
über einen Digital-Analog-Wandler 42 eine Spannung Urt ableiten, die ein genaues
Maß für die laufzeit T des Kabels K bei der jeweils selektierten Frequenz fm darstellt.
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Durch Änderung der Größe von Uo werden jeweils andere Frequenzen fm
selektiert. Will man eine Frequenzkurve 18 der frequenzabhängigen Laufzeit mit Hilfe
des bereits beschriebenen Zwei-Eoordinaten-Anzeige- oder -Registriergeräts 16 darstellen,
so muß man Uo nach einer Zeitfunktion mit sehr kleiner Steigung ändern, beispielsweise
nach einer Sägezahnfunktion 43. Führt man dann eine derartige Sägezahnspannung U5
der horizontalen Ablenkeinrichtung des Geräts 16 zu und steuert dessen vertikale
Ablenkung mit Ur', so erhält man die gewünschte Frequenzkurve 18 auch bei hohen
Wobbelfrequenzen. Anstelle dieser analogen Auswertung von U.' ist es selbstverständlich
auch möglich, die anhand der Schaltungsteile 24 bis 27, 29 und 30 beschriebene digitale
Überwachung der Laufzeit des Kabels K mit Hilfe der von der Stufe 41 gelieferten
digitalen Signale vorzunehmen.
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11 Patentansprüche 4 Figuren