DE2641205C2

DE2641205C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Messen der Frequenz eines Wobbelsignalgenerators

Info

Publication number: DE2641205C2
Application number: DE2641205A
Authority: DE
Inventors: Rolf W. Dalichow; Frederic W. Santa Rosa Calif. Woodhull
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-14
Publication date: 1985-01-10
Also published as: JPS5237080A; FR2325048B1; CA1049094A; DE2641205A1; FR2325048A1; JPS556872B2; GB1562087A; US4041387A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Frequenz eines in seiner Frequenz nach einer vorzugsweise linearen Zeitfunktion verändlichen Ausgangssignales eines Wobbelsignalgenerators gemäß dem Ober-

begriff von Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Wobbelsignalgen^ratoren werden in Meßsystemen bekanntlich dazu verwendet, die Verläufe der Amplitude und der Phase von Schaltungen als Funktionen der — regelmäßig linear — über der Zeit veränderlichen Frequenz der Signale vom Wobbelsignalgenerator zu messen und auf einem Sichtgerät darzustellen. Auf dem Sichigerät sind entweder feste Markierungen aufgebracht, die bestimmten Frequenzwerten entsprechen,

oder es werden Markierungen gemäß der jeweils gemessenen Ausgangsfrequenz des Wobbelsignalgenerators auf dem Sichtgerät erzeugt.

Aus DE-OS 20 36 412 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 hekanc?, bei dem für einen gewünschten Zeitpunkt der Wert der Ausgangsfrequenz des Wobbelsignalgenerators folgendermaßen gemessen wird:

Nach Empfang eines Startsignales wird bei steigender (fallender) Wobbeifrequenz die Anzahl der Perioden des Ausgangssignales während eines ersten Zeitintervalles gemessen, so daß sich gegenüber dem gewünschten Frequenzwert im Augenblick des Startsignales ein zu hoher Wert ergibt. Nach einer Meßpause wird während eines dritten Zeitintervalles bei fallender (steigen-

der) Wobbeifrequenz die Anzahl der Perioden des Ausgangssignales gemessen, um durch Addition und Mittelwertbildung mit dem vorher gemessenen Wert den genannten Fehler zu kompensieren. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Ausgangsfrequenz des Wobbelsi gnalgenerators sich sowohl beim Hinlauf als auch beim Rücklauf linear und betragsmäßig mit der gleichen Geschwindigkeit ändert, was in der Praxis nicht ohne weiteres exakt zutrifft. Auch kann bei diesem Verfahren die Frequenz nur nach Ablauf einer vollen Wobbeiperiode

M) bestimmt werden, was bei manchen Anwendungen mit hoher Auflösung bis zu 100 s beträgt und somit zu lange dauert.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs I und des Anspruchs 2,

b5 jeweils in Verbindung mil dem Oberbegriff.die Aufgabe gelöst, dall die Frequenz des Ausgangssignales vom Wobbelsignalgenerator schneller gemessen wird. Das Lösungsprinzip gemäß der Erfindung besteht

n=f χ r

io

15

darin, daß die beiden Meßzeitintervalle und das dazwischen liegende Pausenintervall dem gleichen steigenden (oder fallenden) Abschnitt der Wobbelfrequenz-/Zeitfunktion zugeordnet sind und die Längen dieser drei Intervalle derart voreingestellt werden, daß sich der Wert der Wobbeifrequenz zu Beginn des ersten Meßintervalles aus der Differenz der Meßwerte in den beiden Meßzeitintervallen ergibt. Hierzu muß die Wobbelfrequenz-/Zeitfunkiion vorbekannt sein, sie muß aber nicht linear zu sein.

Eine erfindungsgemäße Lösung mit einem bevorzugten Verhältnis der beiden Meßintervalle und des Pausenintervalles für den Fall einer sich linear ändernden Wobbeifrequenz ist im Anspruch 2 angegeben.

Im Anspruch 3 ist eine bevorzugte geräietechnische Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei welcher sich folgende Betriebsweise ergibt:

Ein Vorwärts-/Rückwärts-Zähler wird von einer Steuereinheit derart gesteuert, daß beim Auftreten eines Markierungssignales, welches bei Gleichheit einer einstellbaren Gieichspanung mit der den Wobbelvorgang steuernden Spannung erzeugt wird, ei^s Zählertorschaltung geöffnet wird und der Zähler beginnt, vorwärts zu zählen. Zum Ende des ersten Meßzeitintervalles hört der Zähler auf zu zählen und bleibt während des folgenden Pausenintervalles passiv, während der Wobbelsignalgenerator weiter wobbelt Während des dritten Zeitintervalles zählt der Zähler rückwärts, d. h. er subtrahiert die im dritten Zeitintervall erhaltene Periodenzahl von der im ersten Zeitintervall erhaltenen. Der nach Beendigung des dritten Intervalles erhaltene Zählerstand stellt ein Maß für die Frequenz des Ausgangssignales des Wobbelsignalgenerators zum Zeitpunkt des Auftretens des Markierungssignales dar. Der entsprechende Wert wird dann auf einer Anzeigeeinheit digital dargestellt

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

F i g. 1 die Frequenz-/Zeitfunktion des Ausgangssignales eines Wobbelsignalgenerators;

Fig.2 ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig.3 und 4 schaltungstechnischc Einzelheiten des Blockschaltbildes gemäß F i g. 2.

Zur Messung der Frequenz eines stationären Wechselspannungssignales mit Hilfe eines elektronischen Zählers wird die Anzahl der Perioden des Signaies gezählt, die während der Öffnungszeit des Zählertors auftreten. Die Frequenz des Signales kann bestimmt werden, indem die gezählte Anzahl der Perioden durch diese Zeitspanne geteilt wird. Dieses kann ausgedrückt werden durch:

25

30

55

wobei η die Anzahl der Perioden, /"die Frequenz und r das Zeitintervall bedeutet, in welchem η gezählt wurde.

Wenn die Frequenz des gezählten Signales während der Öffnungszeit des Zählertores nicht konstant ist, ta stellt der sich ergebende Zählerstand die Durchschnittsfrequenz während der Öffnungszeit des Tores dar. Wenn sich somit die Frequenz eines Signales gemäß F i g. 1 ändert und ein Zählertor zwischen den Zeitpunkten f, und *2 geöffnet ist, während sich das Signal von der h5 Frequenz /i zur Frequenz /j iindert, entspricht der resultierende Zählerstand dei- Frequenz f_ml, d. h. dem Mittelwert der Frequenzen f\ und 6- Wenn die Frequenz sich linear mit der Zeit gemäß F i g. 1 ändert, läßt sich die Frequenz ausdrücken:

f(t)

wobei a die Steigung und b den Ordinatenwert im Schnittpunkt der Frequenzkurve mit der Ordinatenachse angibt Wie erwähnt, gibt die Anzahl der zwischen den Zeitpunkten /1 und t₂ gezählten Impulse oder Perioden die Durchschnittsfrequenz an. Diese Anzahl Λ12 von Impulsen kann durch Integration der Frequenzfunktion über der Zeit berechnet werden:

«12

-ί.

-ι

Die zwischen den Zeitpunkten t\ und h gemäß den vorstehenden Formein berechnete Durchschnittsfrequenz ist für ein Wobbeifrequenz-Meßsystem nur bedingt aussagekräftig, da dieser Durchschnittswert von der Wobbeigeschwindigkeit sowie von der Lage und der Dauer des herausgegriffenen Zeitintervalles abhängt. Es ist schwierig, vor allem bei gegebener Vorwahlmöglichkeit der Torzeiten, ein Markierungssignal auf dem Anzeigeschirm derart erscheinen zu lassen, daß es der Position der Durchschnittsfrequenz entspricht. Es ist somit vorzuziehen, daß ein Markierungssignal im Zeitpunkt /1 erscheint der stets genau bekannt ist, unabhängig von der Torzeit des Zählers oder der Wobbeigeschwindigkeit des Wobbelsignalgenerators. Di? Frequenz f\ im Zeitpunkt fi kann berechnet werden aus der Anzahl Λ12 der Impulse zwischen den Zeitpunkten U und fj und der Anzahl /J34 der Impulse zwischen den Zeitpunkten /3 und (4. Für die Anzahl n\ der der Frequenz f\ entprechenden Impulse gilt:

45

50 n<

Durch Substitution in Gleichung (4) ergibt sich:

y C\ ~t]) + b «2-1₁)

Eine der vielen möglichen Lösungen dieser Gleichung kann erhalten werden, indem die folgenden Verhältnisse zwischen den Variablen definiert werden:

b = 0

h = i\ + 3r

/j = /1 + 4r '

Ia = i\ + 5r

Dabei bedeutet τ eine willkürliche vorbestimmte Zeitperiode. Wenn diese Werte in Gleichung (6) einge-

setzt werden, ergeben sich die folgenden Resultate:

n, - 2 a/| · r (8)

Durch Substitution von ai\ - A₁ in Gleichung (8) ergibt sich:

- /Ί · 2roder

. JLl
2γ '

Somit kann die Frequenz /Ί berechnet werden, indem zwischen den Zeitpunkten Λ und h während eines Zeitintervallcs der Länge 3r vorwärts gezählt wird, zwischen den Zeitpunkten ^ und t> in einem Zeitintervall der Länge r nicht gezählt wird und dann rückwärts gezählt wird bzw. der während eines weiteren Zeitintervaiies der Länge τ zwischen den Zeiipunkien /j und i< erhaltene Zählerstand von dem im ersten Zeitintervall erhaltenen Zählerstand subtrahiert wird. Die Frequenz /ι ist dann der im Zähler zum Zeitpunkt U verbleibende Zählerstand geteilt durch 2r.

F i g. 2 stellt ein Blockdiagramm eines Wobbelfrcquenz-Meßsystems dar. Ein Wobbelsignalgenerator 10 erzeugt ein Ausgangswechselspannungssignal, dessen Frequenz sich linear mit der Zeit ändert. Dieses Ausgangssignal wird auf einer Leitung 12 einer zu untersuchenden Schaltung 14 zugeführt, deren Ausgang mit einem Detektor 16 verbunden ist. Dieser kann ein Hüllkurvendetektor oder ein Spektrumanalysator, ein Netzwerkanalysator oder dergleichen sein. Das Ausgangssignal des Detektors 16 wird auf einem Sichtgerät 18 dargestellt, welches eine Kathodenstrahlröhre oder eine andere geeignete Einrichtung zur Anzeige der Amplitude oder Phase gegenüber der Frequenz aufweist.

k.iii t ui παι ιβν ΐΐ,υνηπαι laLttiusi *v 131 vir^riiiaiia um

der Leitung 12 verbunden und nimmt das Ausgangssignal von Wobbelsignal-Generator 10 auf. Der Vorwärts-/Rückwärtszähler 20 ist mit einer Steuereinheit 22 verbunden, welche die Torschaltung des Zählers öffnet und schließt und den Vorwärts-ZRückwärtszählbetrieb des Zählers steuert. Der Vorwärts-ZRückwärtszähler 20 ist auch mit einer Ziffernanzeigeeinheit 24 zur Anzeige des sich ergebenden Zählerstandes verbunden. Eine Leitung 26 vom Wobbelsignalgenerator 10 führt ein Steuersignal, dessen Wert sich entsprechend der Änderung der Frequenz des Ausgangssignales ändert. Dieses Steuersignal entspricht im allgemeinen dem die Frequenz des Ausgangssignales des Wobbelsignalgenerators steuernden Signal, im folgenden Wobbelsignal genannt. Das über die Leitung 26 der Steuereinheit 22 zugeführte Steuersignal wird dort mit einer einstellbaren Referenzspannung verglichen, welche die Lage eines Markierungssignales 28 auf dem Sichtgerät bezeichnet Mit einer Einstellvorrichtung 27 läßt sich die Referenzspannung und damit die Lage des Markierungssignales wählen. Das durch die Steuereinheit 22 erzeugte Markierungssignal kann beispielsweise ein Leuchtpunkt sein, der auf der Kathodenstrahlröhre durch Modulaton des Z-Achsensignales erzeugt wird.

Das Markicrungssignal kann auch in anderer bei Wobbelfrequenzanzeigen bekannter Technik erzeugt werden, beispielsweise durch Veränderung des Signales an einem oder beiden Eingängen für die anderen Achsen des Bildschirmes. Das Wobbelsignal im Wobbesignalgenerator 10 wird auch dem Sichtgerät 18 zugeführt, um eine horizontale Auslenkung auf dem Katho denbildschirm zu erreichen.

In Fig.3 ist die Steuereinheit 22 schemsitisch dargestellt. Das Wobbelsignal auf der Leitung 2(5 wird mit einem Referenzsignal von einem Potentiometer 30 durch eine Komparator 32 verglichen. Das Ausgangssignal vom Komparator 32 wird einer nionostabilen Kippstufe 34 zugeführt, so daß bei Gleichhcil des Wobbelsignales und des Referenzsignales am Ausgang der monostabilen Kippstufe 34 ein Impuls erscheint. Die monostabile Kippstufe 34 ist mit dem Takteingang einer //(-Kippstufe 36 verbunden und der /-Eingang dieser Kippstufe erhält ein BPi-Signal vom Wobbelsignalgenerator. Die meisten Wobbelsignalgenerat siren erzeugen Austastimpulse, um die Anzeige während der

is Strahlrückführung auszublenden bzw. auf einen niedrigeren Frequenzwert zurückzusetzen. Das Signal BPX hat den Signalpegel H, wenn kein Austastsignal vorliegt, und es hat den Signalpegel U wenn die Anzeige ausgeiasici wird, um den Zähler wäiifcnu der Rüi;iifümüfigä- phase auszuschalten. Wenn der Wobbelsignalgenerator kein solches Signal erzeugt, kann der /-Eingang der Kippstufe 36 auf dem Signalpegel H gehakcn werden, obgleich während der Rückführung der Wobbelfrequenz eine fehlerhafte Anzeige erzeugt werden kann.

Der Ausgang Q der Kippstufe 36 ist ütxir eine Umkehrstufe 38 mit dem Ausgang DM verbunden, der wiederum mit dem Z-Eingang eines Sichtgeräles zum Erzeugen fc.nes Markierungssignales verbunden sein kann. Andererseits kann dieses Signal einem Markierungs-

3ü schaltkreis zugeführt werden zum Erzeugen eines vertikalen Ablenksignales auf dem Bildschirm. Der Ausgang ζ) der Kippstufe 36 ist mit einer Kette von Teilerschaltungen 40, 42, 44, 46 und 48 verbunden. Diese Teilerschaltungen sind mit einem Referenztaktgeber oder Os- zillator 50 verbunden. Wenn ein Signalpegel H am Ausgang Q der Kippstufe 36 erscheint, werden alle Teilerschaltungcn 40 bis 4S eingeschaltet, und das Signa! vom Oszillator 50 gelangt durch diese Teilerstulen. Diese wirken als Zeitglied und begrenzen das Zeitintervall r.

Die Länge dieses Zeitintervalles r wird bestimmt durch Signale auf den Leitungen 52, 54 und 56 mit den Bezeichnungen »grob, mittel, fein«. Das Signal auf einer dieser Leitungen steuert den Ausgang von den Teilerschaltungen 44, 46 bzw. 48 zu einem binären Zähler 58

mit acht Binärzuständen. Diese Leitungen bestimmen das Auflösungsvermögen der Frequenzmessung und können mit der Steuereinheit zur Steuerung der Wobbeizeit des Wobbelsignalgenerators verbunden werden, um das Auflösungsvermögen der Messung entspre chend der Wobbeigeschwindigkeit des Wobtielsign»lge- nerators zu ändern. Andererseits können diese Leitungen mit einem Schalter verbunden werden, um selektiv das Auflösungsvermögen für die auf der Ziffernanzeigeeinheit 24 dargestellten Meßergebnisse zu bestimmen.

Wenn nur eine einzige Auflösung erwünscht ist, kann der Ausgang von einer der Teilerschaltun gen 44, 46 oder 48 direkt mit dem Takteingang des Zählers 58 verbunden werden.

Der Zähler 58 ist mit einem Decodierer 60 verbunden,

μ der die acht Zustände des Zählers für achi; getrennte Leitungen decodiert. Der Zähler 58 wird jeweils weitergeschallct, wenn er ein Signal von der Kette von Teilerschaltungen über die Torschaltungen 53,55,57 oder 59 erhält. Der Decodierer 60 ist mit einer Kippstufe 62 und

b5 einer Kippstufe 64 über Gatter 6S und 68 verbünden. Das Gatter 62 erzeugt ein Signal UDC an seiinem Ausgang 7} welches die Vorwärtszählung oder Riickwärtszählung des Vorwärts-/Rückwärtszählers 20 steuert

Der Ausgang φ der Kippstufe 64 gibt ein Signal CEN ab, welches den Vorwärts-ZRückwärtszähler startet bzw. anhält, inden eine Torschaltung geöffnet oder geschlossen wird. Wenn durch die Kippstufe 36 ein Markierungsimpuls erzeugt wird, wird ein Zähler 58 in sei- ¹S nen Nullzustand weitergcschaltet, und dieser Impuls wird '.'s Startimpuls verwendet, um zu bewirken, daß das Signal UDC die Vorwärlszählung bezeichnet und das Signal CEN des Start- oder Auslösezustand bezeichnet. Nachdem der Zähler 58 um drei 7ostände weitcrgcschaltet wird, d. h. nach drei Intervallen jeweils der Länge r, werden die Signale CEN und EDCbeide umgeschaltet, um den Zähler anzuhalten und diesen für die Rückwärtszählung vorzubereiten. Nach einem anderen Zeitintervall der Länge r ändert das Signal CEN wie- !■> derum den Zustand und löst den Zähler für ein anderes Zeitintervall r aus. Am Ende dieses Zeitintervall ändert sich der Zustand des Signales CEN. um den Zähler anzuhalten. In diesem Zeitpunkt wird vom Decodierer 60 ein Signal an eine Kippstufe 70 über eine Leitung 72 abgegeben, um ein Signal MM am Ausgang 7$der Kippstufe 70 zu erzeugen, welches das Ende der Messung angibt.

In Fig.4 ist schematisch ein Vorwärts-ZRückwärtszählcr 20 dargestellt, der mit einem Sichtgerät 24 verbunden ist. Der Vorwärts-ZRückwärtszähler 20 enthält mehrere Stufen 80,82,84,86 und 88. Jede dieser Zählerstufen ist mit einer der Anzeigeeinheiten 90, 92, 94, 96 und 98 der Digitalanzeige 24 verbunden. Das CEN-S\- gnal Mnd das Wobbeisignal werden einem Gatter 100 jo zugeführt, welches das Wobbelsignal den Zählereinheitcn 80,82,84, 86 und 88 zuführt. Das Signal UDC wird dem Vorwärts-ZRückwärts-Steuereingang von jeder der Zählerstufen zugeführt, und es ist eine Leitung RES vorgesehen, welche die Zählerstufen auf Null zurücksetzt. Ein Signal MM wird den Anzeigeeinheiten zugeführt, damit diese die Zählerstände in den Zählerstufen anzeigen, wenn der Meßzyklus abgeschlossen ist.

Um die endgültige Zählstufe n\ in dem Vorwärts-/ Rückwärtszähler nicht weiter verarbeiten zu müssen,

wird das Zeitintervall r so gewählt, daß y'-die Anzahl der Frequenzeinheiten ist. Somit kann diese endgültige Zählstufe direkt in der Ziffernanzeigeeinheit 24 dargestellt werden, und der Dczimalpunkt wird durch die Einstellung des Auflösungsvermögens auf den Leitungen 52,54, oder 56 bestimmt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

50

55

60

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum digitalen Messen der Augenblicksfrequenz zu einem vorwähibaren. markierbaren Zeitpunkt des in seiner Frequenz nach einer bekannten Zeitfunktion veränderlichen Ausgangssignales eines Wobbelsignalgenerators, bei welchem die Anzahl der Perioden des Ausgangssignales während eines ersten Zeitintervalles nach Empfang eines Startsignales gezählt wird,

der Zählvorgang während eines anschließenden zweiten Zeitintervalles unterbrochen wird, die Anzahl der Perioden des Ausgangssignales während eines dritten, sich an das zweite anschließenden Zeitintervalles gezählt wird und aus den im ersten und im dritten Zeitintervall gemessenen Werten ein der genannten Augenblicksfrequenz entsprechendes Signal erzeugt und dessen Wert angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Anzahl der Perioden des Ausgangssignales sowohl während des ersten als auch während des dritten Zeitintervalles entweder im steigenden oder im fallenden Abschnitt des Frequenzverlaufs des Ausgangssignales gemessen wird und die Längen der drei Zeitintervalle, ausgehend von der bekannten, den Frequenzverlauf steuernden Funktion, derart vorgewählt werden, daß der Frequenzwert des Ausgangssignales zum am Beginn des ersten Zeitintervalles liegenden Markicrungszeitpunkt durch Subtraktion der während des ersten und des dritten Zeitintervalles erhaltenen Meßwerte erhalten wird.

2. Verfahren zum digitale.! Messen der Augenblicksfrequenz zu einem vorwähibaren, markierbaren Zeitpunkt eines in seiner Fi ;quenz linear veränderlichen Ausgangssignales eines Wobbelsignalgenerators, bei welchem

die Anzahl der Perioden des Ausgangssignales während eines ersten Zeitintervalles nach Empfang eines Startsignales gezählt wird,

der Zählvorgang während eines anschließenden zweiten Zeitintervalles unterbrochen wird, die Anzahl der Perioden des Ausgangssignales während eines dritten, sich an das zweite anschließenden Zeitintervalles gezählt wird und aus den im ersten und im dritten Zeitintervall gemessenen Werten ein der genannten Augenblicksfrequenz entsprechendes Signal erzeugt und dessen Wert angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet.

daß jeweils die Anzahl der Perioden des Ausgangssignales sowohl während des ersten als auch während des dritten Zeitintervalles entweder im steigenden oder im fallenden Abschnitt des Frequenzverlaufs des Ausgangssignales gemessen wird, daß das zweite und das dritte Zeitintervall jeweils «in Drittel der Länge des ersten Zeitintervalles betragen und

daß der Frequenzwert des Ausgangssignales zum am Beginn des ersten Zeitintervalles liegenden Markierungszeilpunkt bestimmt wird aus der Differenz der während des ersten und des dritten Zeitintervalles gemessenen Anzahl von Signalperioden geteilt durch zwei Drittel der Länge des ersten Zciiintervalles.

3. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorwärts-/Rüekwartszählcr (80 bis 88) einen mit einer Torschaliiing verbunde-

nen Eingang aufweist, ein Zeitgeber (40 bis 48) einen mit einer Steuereinheit (22) verbundenen Eingang zum Starten des ersten Zeitintervalles beim Empfang eines Startsignales von der Steuereinheit sowie einen Ausgang zum Erzeugen von Signalen aufweist, die den Beginn und das Ende des ersten, des zweiten und des dritten Zeitintervalles bezeichnen, und eine Steuerschaltung (50 bis 68) einen mit dem Ausgang des Zeitgebers verbundenen Eingang, einen ersten mit der Torschaltung und einen zweiten mit dem Vorwärts-ZRückwärtseingang des Zählers verbundenen Ausgang aufweist und bewirkt, daß der Vorw.ärts-/RückwärtszähIer während des ersten Zeitintervalles vorwärts zählt, während des zweiten Zeitintervalles angehalten wird und während des dritten Zeitintervall rückwärts zählt