DE2555121C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung oder Überwachung der frequenzabhängigen Gruppenlaufzeit eines Vierpols - Google Patents

Description

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, wobei die am Vierpolausgang abgegriffene Meßspannung verwendet wird, sowie auf Schaltungsanordnungen zur Durchführung uiis Verfahrens.

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 N y ς u i s t entwickelte Verfahren setzt jedoch den Einsatz eines in der Frequenz und Amplitude modulierbaren Meßsenders voraus.

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 Gruppenlaufzeit bzw. die Gruppenlaufzeitverzerrungen des Vierpols dadurch ausgewertet wird, daß entweder eine der Differenzfrequenz proportionale Spannung gewonnen wird, wobei diese in Abhängigkeit von der Meßfrequenz bildlich dargestellt wird, oder eine fortlaufende Zählung der Differenzfrequenz bzw. der zugeordneten Periodendauer vorgenommen wird, wobei die jeweils erhaltenen Zählwerte mit eii^in vorgegebenen Wert verglichen werden und die Über- oder Unterschreit jng des letzteren angezeigt bzw. registriert wird.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß als Meßsender ein einfacher Wobbeisender verwendet werden kann, dessen Ausgangsspannung neben einer relativ langsamen Frequenzwobbelung keine weitere Modulation erfährt.

Eine für große Frequenzänderungsgeschwindigkeiten und somit hohe Wobbeifrequenzen 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.

Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in der Zeichnung dargestellter, zu seiner Durchführung geeigneter Schaltungsanordnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine analoge Schaltungsanordnung zur Gruppenlaufzeitmessung,

F i g. 2 eine Schaltungsanordnung mit einem digitalen Auswerteteil zur Überwachung der Gruppenlaufzeit,

F i g. 3 eine mit vergrößerter Meßgenauigkeit arbeitende Schaltungsanordnung zur Überwachung der Gruppenlaufzeit und

F i g. 4 eine für hohe Wobbelfrequenj.en geeignete Schaltungsanordnung zur Gruppenlaufzeitmessung bzw. -überwachung.

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 Wöbucisender ausgebildet, der in Abhängigkeit von einer Wobbeispannung 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 t/m'der Frequenz fm'. Im Mischer 2 wird ein Mischprodukt mit der Differenzfrequenz fD=fm — fm'

ίο 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 fo im Verlauf eines Frequenzdurchlaufs von

ι s fm entsprechend.

Am Ausgang eines dem Tiefpaß 4 nachgeschalteten Begrenzers 5 gewinnt man eine Rechteckspannung 6, deren Nulldurchgänge denen der von 4 selektierten Spannung der Differenzfrequenz /b entsprechen. Eine monostabile Kippstufe 7, die von den negativen Flanken 8 bis 10 der Rechteckspannung 6 aus ihrer Ruhelage gekippft wird, gibt eine Impulsspannurcg 11 ab, deren Vorderflanken 12 bis 14 usw. mit den negativen Flanken 8 bis 10 usw. von 6 zeitlich zusammenfallen. Da die von 7 abgegebenen Impulse jeweils eine konstante Länge aufweisen, leitet ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter 15 mit hinreichend niedriger Grenzfrequenz aus ihnen eine Gleichspannung (J_T ab, deren Amplitude der Frequenz fo proportional ist. In einem Zwei-Koordinaten-Anzeige- oder -Registriergerät 16, das beispielsweise als Kathodenstrahloszillograf mit einem Bildschirm 17 ausgebildet ist, kann dann U_T als Funktion der Frequenz in Form einer Kurve 18 dargestellt werden. Zu diesem Zweck wird U_T der ersten Ablenkeinrichtung des Geräts

.15 16 zugeführt, während die Wobbeispannung Uw dessen zweite Ablenkeinrichtung beeinflußt. Anstelle eines Kathodenstrahloszillografen kann das Gerät 16 beispielsweise auch a!s XY-Schreiber ausgebildet sein, sofern die Kurve 18 in einfacher Weise registriert werden soll und die Frequenzänderungsgeschwindigkeit von fm hinreichend klein ist.

Es läßt sich zeigen, daß unter der Voraussetzung einer zeitlinearen Änderung von fm mit der Steilheit S folgende Beziehung zwischen der zeitabhängigen Frequenz fo und der Gruppenlaufzeit τ des Kabels K besteht:

/o =

Dabei bedeutet τ_ζ ein Störglied, das infolge der Frequenzänderung des Meßsenders 1 auftritt und die Proportionalität zwischen fo bzw. U_T und r stört. r₇ ist gegeben durch den Ausdruck

S(2a'a" - 2b'b" - u'").

wobei a', a"und a'"jeweils die erste, zv/eite und dritte Ableitung des Dämpfungsmaßes a des Kabels K nach der Kreisfrequenz ω = 2π ■ (fm) und b' bzw. b" die ers'f bzw. zweite Ableitung seines Phasenmaßes b nach ω darstellen.

(i. Wählt man also die Steilheit 5 bei dem vorliegenden Verfahren hinreichend klein, so kann man r, vernachlässigen, und die gemessene Frequenz /}> ist der interessierenden Gruppenlaufzeit τ weitgehend propor-

tional. Wie aus der Beziehung (1) hervorgeht, darf 5 andererseits eine Mindestgröße nicht unterschreiten, damit /_ound somit auch die erreichbare Meßgenauigkeit nicht zu klein werden.

Man kann den auszumessenden Vierpol, z. B. das s Nachrichtenkabel K, durch ein in möglichst kleinen Stufen umschaltbares Gruppenlaufzeitnormal ersetzen und die Meßanordnung nach F i g. 1 unmittelbar in Werten der Gruppenlaufzeit r eichen, was weiterhin den Vorteil mit sich bringt, daß an der auf diese Weise ,₀ erhaltenen, den Bildschirm des Geräts 16 in vertikaler Richtung überdeckenden Skalenteilung sowohl die absolute Gruppenlaufzeit τ als auch die Gruppenlaufzeitverzerrungen Δτ gegenüber einer Bezugslinie abgelesen werden können. ic

F i g. 2 zeigt eine Meßanordnung zur Durchführung des bereits anhand von F i g. 1 erläuterten Verfahrens, bei der lediglich anstelle der analogen Auswertung der Differenzfrequenz /beine 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 τ 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 Komparatoren 26, 27, die dem Zählerausgang 28 nachgeschaltet sind, kann dann das Überschreiten des Toleranzbereichs durch die Gruppenlaufzeitverzerrungen Δτ (als Abweichungen vom Sollwert der Gruppenlaufzeit r) in Richtung auf zu große oder zu kleine Werte von r festgestellt und über die Ausgänge 29 und 30 mittels entsprechender Signale 51, S 2 angezeigt oder registriert werden. Der dem vorgegebenen Sollwert von τ entsprechende Zählwert kann dabei durch Einschaltung eines Gruppenlaufzeitnormals anstelle von K am Zähler 20 abgelesen werden.

Bildet man den Zähler 20 in an sich bekannter Weise so aus, daß er zunächst den größten der bei einem Frequenzdurchlauf von fm erhaltenen Zählwerte speichert, 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 Δτ entspricht. Ein Verlassen des Toleranzbe- jo reichs durch Δτ wird dann bei einem neuerlichen Frequenzdurchlauf von fm durch ein Signal 51 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 Δτ entsprechenden Betrag gegenüber dem kleinsten Zählwert vergrößert ist

F i g. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung bzw. 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-Frequenzteiler 31 zugeführt der eine Rechteckspannung abgibt deren einzelne Impulse 32, 33 in ihrer Breite der sich in Abhängigkeit von fp ändernden Periodendauer der Impulsspannung 6 entsprechen. Weiterhin ist "ein Taktimpulsgenerator 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 fq. 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 Schaltungsteile 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.

Mit steigender Wobbeifrequenz und somit ansteigender Frequenzänderungsgeschwindigkeit bzw. Steilheit 5 tritt das die Proportionalität zwischen U_T bzw. fo und τ störende Störglied τ_Τ immer stärker in Erscheinung. Fig.4 zeigt nun eine Schaltungsanordnung, bei der diese Proportionalität 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 Dreiecksspannung 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 Komparator 37, dem die dreieckförmige Wobbelspannung i/wund 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 Frequenzrücklaufs auftretenden, mit den Torimpulsen 40 zeitlich zusammenfallenden einzelnen Impulse der Impulsspannung 6 eingezählt. 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 U_T' ableiten, die ein genaues Maß für die Laufzeit τ des Kabels K bei der jeweils selektierten Frequenz fm darstellt

Durch Änderung der Größe von U₀ werden jeweils andere Frequenzen fm selektiert Will man eine Frequenzkurve 18 der frequenzabhängigen Laufzeit mit Hilfe des bereits beschriebenen Zwei-Koordinaten-Anzeige- oder -Registriergeräts 16 darstellen, so muß man i/o nach einer Zeitfunktion mit sehr kleiner Steigung ändern, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion 43. Führt man dann eine derartige Sägezahnspannung U_s der horizontalen Ablenkeinrichtung des Geräts 16 zu und steuert dessen vertikale Ablenkung mit U_x', so erhält man die gewünschte Frequenzkurve 18 auch bei hohen Wobbeifrequenzen. Anstelle dieser analogen

Auswertung von U_x' 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.

Hierzu 2 BkHt Zeidinuiiiieii

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung oder Überwachung der frequenzabhängigen Gruppenlaufzeit eines Vierpols mit einer Meßspannung, deren Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Bereichs mit linearer Zeitabhängigkeit variiert wird, wobei die am Vierpolausgang abgegriffene Meßspannung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, 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 Gruppenlaufzeit bzw. die Gruppenlaufzeitverzerrungen des Vierpols dadurch ausgewertet wird, daß entweder eine der Differenzfrequenz proportionale Spannung gewonnen wird, wobei diese in Abhängigkeit von der Meßfrequenz bildlich dargestellt wird, oder eine fortlaufende Zählung der Differenzfrequenz bzw. der zugeordneten Periodendauer vorgenommen wird, wobei die jeweils erhaltenen Zählwerte mit einem vorgegebenen Wert verglichen werden und die Über- oder Unterschreitung des letzteren angezeigt bzw. registriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert aus einem Sollwert der Gruppenlaufzeit, erhöht oder verringert um den Wert einer maximal zulässigen Abweichung, besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert aus dem maximalen oder minimalen anfallenden Zählwert, erhöht oder verringert um den Wert einer maximal zulässigen Abweichung, besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Meßspannung nach einer linearen Zeitfunktion konstanter Steilheit in abwechselnd gegenläufiger Richtung (Dreiecksfunktion) variiert wird und daß aus den für eine selektierte Meßfrequenz jeweils während des Frequenzhinlaufs und des Frequenzrücklauts erhaltenen Werten der Differenzfrequenz das arithmetische Mittel gebildet und als Maß für die Gruppenlaufzeit des Vierpols bei der selektierten Meßfrequenz ausgewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von vorzugsweise äquidistanten Meßfrequenzen nacheinander selektiert werden.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge eines Mischers (2) mit dem Vierpolausgang (E) und dem Ausgang eines den Vierpoleingang (A) speisenden fvleßsenders (1) verbunden sind, daß der Mischerausgang über einen Tiefpaß (4) und gegebenenfalls einen Begrenzer (5) mit einer monostabilen Kippstufe (7) beschaltet ist, die bei jedem zweiten Nulldurchgang des die Differenzfrequenz (f_n) aufweisenden, selektierten Mischproduktes gekippt wird, und daß die Ober einen zweiten Tiefpaß (15) gewonnene Ausgangsspannung (U_T) der Kippstufe (7) der ersten Ablenkeinrichtung eines Zwei-Koordinaten-Anzeige- oder -Registriergeräts (16) zugeführt wird, dessen zweite Ablenkeinrichtung mit einer die FrcqüciU (fin) des Mcuseiideis (i) i'nii üiicäiei Zeitabhängigkeit beeinflussenden Modulationsspannung (Uw) beaufschlagt ist

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge eines Mischers (2) mit dem Vierpolausgang (E) und dem Ausgang eines den Vierpoleingang (A) speisenden Meßsenders (1) beschaltet ist, daß der Mischerausgang über einen Tiefpaß (4) und gegebenenfalls einen Begrenzer (5)

ίο mit dem Eingang eines Frequenzzählers (20) verbunden ist und daß dem letzteren ein digitaler Komparator (26, 27) nachgeordnet ist, dem der vorgegebene Wert als Vergleichsgröße eingegeben ist.

8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des

Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge eines Mischers (2) mit dem Vierpolausgang (E) und dem Ausgang eines den Vierpoleingang (A) speisenden Meßsenders (1)

:o verbunden sind, daß der Mischerausgang über einen Tiefpaß (4) und gegebenenfalls einen Begrenzer (5) mit einem 2 : !-Frequenzteiler (31) verbunden ist, dessen Ausgangsimpulse (32, 33) eine Torschaltung (19) öffnen, über die einem Zähler (20) Taktimpulse zuführbar sind, und daß dem Zähler (20) vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer den reziproken Zählweit ableitenden Schaltung (35) ein Komparator (26, 27) nachgeordnet ist, dem der vorgegebene Wert als Vergleichsgröße eingegeben ist.

9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des

Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge eines Mischers (2) mit dem Vierpolausgar.g (E) und dem Ausgang eines den Vierpoleingang (A) speisenden Meßsenders (1) verbunden sind, daß der Mischerausgang über einen Tiefpaß (4) und gegebenenfalls einen Begrenzer (5) mit einer Torschaltung (36) verbunden ist, die in Abhängigkeit von den Impulsen (38) eines Komparators (37), der eine die Frequenz (fm) des Meßsenders

(1) beeinflussende Modulationsspannung (Uw) mit einer einstellbaren Hilfsspannung (Uo) vergleicht, jeweils für ein vorgegebenes Zeitintervall öffnet, daß ein Zähler (20) vorgesehen ist, der die in zwei aufeinanderfolgende Öffnungszeiten fallenden Schwingungen der am Mischerausgang selektierten Differenzfrequenzspannung (6) summiert, und daß entweder ein Vergleicher (26,27) nachgeschaltet ist, der das halbierte Zählergebnis mit einem vorgegebenen digitalen Wert vergleicht und die Über- oder

so Unterschreitung des letzteren anzeigt bzw. registriert oder ein Digital-Analog-Wandler (42) vorgesehen ist, der eine dem halbierten Zählergebnis proportionale Spannung (W) ableitet und einem Zwei-Koordinaten-Anzeige- oder -Registriergerät

ss (16) zuführt, das sie in Abhängigkeit von der jeweils selektierten Frequenz (fm)b\\a\\ch darstellt.