DE2718361C3 - Verfahren zur Abtastung der Formund Zeitparameter von schnell veränderlichen elektrischen Hochfrequenz-Signalen und Schaltungsanordnung hierzu - Google Patents

Description

Selbstsynchronisierung zwischen dem /u messenden und dem Signal eines Abtastos/illalors bewirkt wird, während in der anderen Betriebsart die /eit-maßstabproporiionale und formtreue Abbildung des zu messenden Signals innerhalb des bereits synchronisierten Systems erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine selbslsynchronisierende Abtastung im Doppelbetrieb, wobei durch die eine Betriebsart die Steuerung für den automatischen Regelstromkreis gesichert wird, durch den die zum entsprechenden Punkt des /u messenden Signals phasenrichtige, frequenzunterteilte Impulsfolge erzeugt wird, durch die das Abtastsystem selbstsynchronisiert wird.

In dieser Betriebsart erfolgt das Abtasten in den phasengleichen Punkten des zu messenden Signals im Takt der Frequenz des spannungsgesteucrten Oszillators. In dieser Betriebsart wird also das /u messende Signal nicht abgetastet, sondern es werden in den bestimmten, durch das Rüekkoppelungssystcm gesichert en Punkten des Signals Proben genommen. In der anderen Betriebsart hingegen wird das zu messende Signal abgetastet, und zwar mit Hilfe der in der vorigen Betriebsart gewonnenen Synchronsignale.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Schalliingsanordnung. bei der in an sich bekannter Weise der Eingang des zu messenden Signals über eine Abtastschaltung und eine Verstärker- und Formierungsschaltung an den Steucrungseingang der Abtastschaltung angeschlossen ist, und an den Steucrungseingang Jer Abtastschaltung bei Einschaltung des Komparalors die Ausgänge eines Schnellkippgenerators und Stufengenerators angeschlossen werden, und bei der ferner von der Leitung /wischen dem Stufengeneralor und dem Komparatoreingang der andere Ausgang des Abtastsystems abgezweigt ist. Diese Schaltungsanordnung weist nun erfindungsgemäß zwischen dem Ausgang der Verstärker- und Formierungsschaltiing und dem Ausgang des Ablastsyslems d?n einen Ausgang eines Zweiwegeschallkreises auf, während der andere Ausgang desselben Zweiwegeschallkrcises mittels Einschaltung eines Schlcifcnfilters und eines spannungsgesteuerten Oszillators einerseits an den Sleuerungseingang des Zweiwegeschaltkreises gekoppelt ist und andererseits mit den Steuerungseingängen des Schnellkippgenerators und des Stufengenerators verbunden ist und außerdem mit der gemeinsamen Anschlußlciiung der Abtastschaltung des Komparator verbunden ist.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 die Betriebsweise des bekannten Abtastsystems dargestellt, wobei in Fig. la das zu messende Hochfrequen/.signal zu sehen ist, dessen Punkt bestimmter Phasenlage, beispielsweise der positive Nulldurchgang, einer Synchronimpulsreihe zugeordnet wird (F i g. Ib).

Mit der Auswahl jedes zweiten, dritten, im allgemeinen n-ten Impulses der impulsreiht: in Fig. Ib erhält man eine Niederfrequenz-Synchronimpulsreihe (Fig. Ic). Werden die Impulse in Fig. Ic nacheinander mit der Zeit Zli. 2At, ZAt... kAt verzögert, so erhält man die Impulsreihe in Fig. Id, d^: 'ic Abtastung steuert, tu Die Umhüllende der ats Ergebnis der Abtastung entstandenen Impulsreihe-Wellenform der Fig. Ie ist das formgerechle Niederfrequenzabbild des zu messenden Hochfrequenzsignals. Das Abtastverfahren ergibt demnach eine Zeilmaßstabdehnung, deren Größe mit b^r> der Einstellung des Al Paramelerwertes regelbar ist, bzw. in Kenntnis dessen der gleichwertige Zeilmaßstab für das Nicderfrequenzsignal angegeben werden kann.

Nachfolgend wird der Arbeitsgang der von dem /u messenden Signal ein Startsignal erfordernden Abtastsysteme beschrieben, deren vereinfachtes Blockscheina in F i g. 2 dargestellt ist.

DuS zu messende Signal erreicht den Eingang 1 in F i g. 2. Es gelangt über das Synchronsignal-Kopplungsgerät 2 an die Abtastschaltung 3. Das Synchronsignal-Kopplungsgerät 2 trennt von dem zu messenden Signal das Synchronsignal ab (F ig. Ib), das an den Eingang des Breitbandverstärkers 6 gelangt. Die Bandbreite des Synchronsignals stimmt mit der des zu messenden Signals überein. Somit darf die erforderliche Bandbreite des Synchronsignal-Kopplungsgerätes 2, des Breitbandverstärkers 6 und der Eingangsstufe der Frequen/teilerschrdlung 8, die das Ausgangssignal des Verstärkers empfängt, nicht kleiner sein als die Bandbreite des Gerätes, nämlich einige GHz. Die Frequenzteilerstufe 8 teilt das Synchronsignal phasengerecht (F i g. Ic) auf die Frequenz der Abtastung herab. Das Signal, das die im Vergleich zu den Synchronsignalen nacheinander um At verschobene Abtastung steuert (Fig. Id), wird vom Schnellkippgenerator 9, vom Stufengeneralor 10 und von den Komparatoreinheitcn 7 erzeugt. Auf diese Weise stellt mit der im entsprechenden Zeitpunkt erfolgten Abtastung die Abtaststufe 3 das formtreue Abbild des /u messenden Signals im Niederfrequcn/.bereich her, das nach Verstärkung und Formierung am Ausgang 5 des Gerätes eintrifft. Den äquivalenten Zeitmaßstab sichert das Ausgangssignal des Slufengenerators 10 in Fig. 2 an den Eingang Il des Abtastsystcms.

Der Arbeitsgang der Abtastsysteme mit kontinuierlichem Zeitmultiplex, deren vereinfachtes Blockschema in F i g. 3 dargestellt ist, wird untenstehend beschrieben.

Das zu messende Signal gelangt unmittelbar an den Eingang I der Abtastschaltung 3 (Punkt 1 in F i g. 3). Die Abtastung wird von einer rückgekoppelten automatischen Phasenreglerschaltung gesteuert, so daß die Frequenz des formtreuen Niederfrequenzabbildcs des zu messenden Signals ganz unabhängig von der Frequenz dieses Signals mit der Frequenz des Empfängeroszillators 15 übereinstimmt. Die automatische Phasenreglerschaltung ist aus dem Phasendetektor 14, dem Empfängeroszillator 15, dem Schleifenfilter Π und dem spannungsgesteuerten Oszillator 12 zusammengesetzt. Der Ausgang 5 des Abtaslsystems erzeugt das Eingangssignal, während das Ausgangssignal, nämlich das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 12, von der Abtastung gesteuert wird. Nachdem die Frequenz des Niederfrequenz-Abtastsignals immer mit der Frequenz des Empfängeroszillators 15 übereinstimmt, ändert sich die äquivalente Zeitbasis fortlaufend als Funktion der Eingangssignalfrequenz. Aus diesem Grunde ist dies ein Abtastsystem mit kontinuierlichem Zeitmultiplex.

Die Abtastsysteme mit kontinuierlichem Zeitmultiplex werden nur für spezielle Anwendungsgebiete benutzt, beispielsweise für Vektorvollmeter, Vektorimpedanzmesser. Die Ursache ist vor allem darin zu suchen, daß hier gegenüber den aus dem zu messenden Signal ein Startsignal erfordernden Abtastsystemen das zu messende Signal nicht durch das Synchronsignal-Kopplungsgerät zu führen ist, sondern daß es direkt an den Eingang der Ablastschaltung gelangt. Es entfällt demnach der von dem Synchronsignal-Kopplungsgerät verursachte Meßfehler. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es dem vorigen System gegenüber weit empfindlicher ist. Dies folgt daraus, daß die die

Abtastung steuernden Geräte hier nicht von dem zu messenden Brcitbandsignal, sondern von dem entsprechend verstärkten Nicdcrfrequcnz-Abiaslsignal gesteuert werden. Die Empfindlichkeit wird also mittels Niedcrfrcqucn/.vcrstärkung gesteigert. Zu diesem Zwecke wird das in jedem der Abtaslsystcme verwendete Vcrstärkerformicrungsglied benutzt. Daher isi es hier unnötig, spezielle Breitbandverstärker zur Steigerung der Empfindlichkeit zu verwenden.

Es ergibt sich aus dem kontinuierlichen Zeitmultiplex, wie nachteilig die Abhängigkeit der äquivalenten Zeitbasis von der Frequenz der Grundharmonischcn des zu messenden Eingangssignals ist, also ohne deren Kenntnis auch nicht angegeben werden kann. Ein weiterer Nachteil iiegi darin, daß man nicht vorsehen kann, daß die Abtastung in den beliebig einstellbaren Bereich der Periode des zu messenden Signals fällt. Das Niederfrequenz-Abtastsignal setzt sich immer aus der gleichen Zahl von Abtastungen zusammen, und zwar innerhalb der Periode gleichmäßig verteilt. Daher hängt die Zeitauflösung des Systems von der Frequenz der Grundharmonischen des zu messenden Signals ab.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nun Nachteile der obigen Lösungen dadurch beseitigt, daß ein eigensynchronisierendes Abtastverfahren im Doppelbetneb verwendet wird, mit dessen Hilfe man vermeidet, von dem zu messenden Signal ein Startsignal abzutrennen und zugleich außer dem äquivalenten Zeitmaßstab auch noch sicherstellt, daß die Abtastungen in den beliebig einstellbaren Bereich der Periode des zu messenden Signals fallen. Dies erreicht man dadurch, daß das Abtastsystem im Doppelbetrieb betätigt wird; in der einen Betriebsart wird die Selbstsynchronisation mit Hilfe eines Rückkoppelungssystems hervorgerufen, in der anderen Betriebsart wird innerhalb des bereits synchronisierten Systems die zeitmaßstabgerechte und formtreue Abbildung des zu messenden Signals verwirklicht.

Dieses Verfahren wird nun anhand des vereinfachten Blockschemas von Fig. 4 und einer möglichen Ausführungsform des selbstsynchronisierjnden Abtastsystems im Doppelbetrieb ausführlicher beschrieben.

Das zu messende Signal gelangt unmittelbar an den Eingang 1 der Abtastschaltung 3. Die im Doppelbetrieb ausgewählten Signale werden gemäß der gewählten Betriebsart durch einen Zweiwegeschaltkreis 16 getrennt. Am Ausgang »a« der Schaltung, der mit dem Ausgang 5 des Abtastsystems übereinstimmt, erscheint das ausgewählte Niederfrequenzgegenstück des zu messenden Signals. Am Ausgang »6« der Schaltung erhält man das von den Punkten gleicher Phasenlage des zu messenden Signals ausgewählte Signal. Letzterer Ausgang steuert eine automatische Regelschaltung, die aus einem Schleifenfilter 13, dann aus einem spannungsgesteuerten Oszillator 12 zusammengesetzt ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator 12 steuert die Abtastschaltung 3, so daß die Abtastung in den Punkten gleicher Phasenlage des zu messenden Signals erfolgt. Dies ist die eine Betriebsart des Abtasisystcms. In der anderen Betriebsart startet der spannungsgcsteuertc

5 Oszillator 12 den Schnellkippgcnerator 9 und den Stufengenerator 10. Deren Ausgangssignalc steuern den Komparator 7, der das Signal zur Steuerung einer anderen Abtastung erzeugt. Dieses Signal ergibt eine im Vergleich zur Synchronlage nacheinander um Δι

ίο verschobene Abtastung.

Den äquivalenten Zeitmaßstab gibt das Ausgangssignal des Slufengenerators 10 in Fig.4. das an den Ausgang 11 des Abiastsystems gelangt. Das Starten der Abtastung im Doppelbelrieb ermöglicht die doppelte — zeitniultiplcxc — Anwendung der Abtastschaltung 3 und der Verstärkerformierungsschaltung 4. Die den beiden Betriebsarten entsprechend ausgewählten Signale werden durch den Zwciwegeschallkreis 16, vom Signal des spannungsgesteuerten Oszillators 12 gesteuert, je nach Betriebsart getrennt.

Dieses Verfahren zur Abtastung der Form- und Zeitparamcler von schnell veränderlichen elektrischen Hoehfrequenzsignalcn ist vorteilhaft, da hier die Empfindlichkeit des von dem zu messenden Signal ein Anfangssigna] erfordernden Abiastsystems. seine Bandbreite, sein Synchronsignal-Kopplungsglicd zur Bestimmung der Größe der Signalverzerrung, der Breitbandverstärker und die Frequcnzteilerstufen (F i g. 2) entfallen, jedoch deren Funktionen ohne ihren Nachteilen mit

Jo der Abtastung im Doppelbetrieb beibehalten werden. Der Doppelbctricb erfordert den Schaltkreis, den Schleifenfiltcr und den spannungsgesteuerten Oszillator. Dies sind Nieder- und Mittelfrequcnzglieder. die wesentlich einfacher und billiger herstellbar sind als die entfallenden Hochfrequenz-Breitbandglieder.

Weitere Vorteile des obigen Verfahrens sind folgende: Über die Prüfung der ganzen Periode des zu messenden Signals hinaus kann auch deren beliebig kleiner Teil maßstabgerecht und mit unveränderter Zeitauflösung (Abtastdichte/Zeitmaßstab) vergrößert weiden, nachdem die Abiastimpulse in den beliebig einstellbaren Bereich der Periode des zu messenden Signals fallen. F.s entfällt der durch das Synchronsignal-Kopplungsglied verursachte Meßfehler, nachdem das zu messende Signal unmittelbar an den Eingang der Abtastschaltung gelangt. Es wird eine hohe Empfindlichkeit erreicht, nachdem die die Abtastung steuernden Glieder nicht von dem zu messenden Breitbandsignal, sondern von dem entsprechend verstärkten Niedcrfrequenz-Abtastsignal gesteuert werden. Die Verwendung von speziellen Breitbandverstärkern entfällt. Die wirtschaftliche Gestaltung des Systems wird noch durch die doppelte — zeitmuhiplexe — Anwendung der Abtastschaltung und der Verstärkerformicrungsschal-

■55 tung erhöht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Paieniansprüche:

1. Verfahren zur Abtastung der Form- und Zeitparameter von schnell veränderlichen eleklri sehen Hochfrequenz-Signalen, bei dem vom eintreffenden Signal zeillich abgestimmt Proben genommen werden, aus denen das zeitlich transformierte, formtreue Niederfrequenzabbild des zu messenden Signals erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung im Doppelburieb mit zwei Betriebsarten ausgeführt wird, daß in der einen Betriebsart mit Hilfe eines Rückkoppelungssystems eine Selbstsynchronisierung zwischen d. m /u messenden und dem Signal eines Ablasloszillators bewirkt wird, während in der anderen Betriebsart die zeit-maßstab-proportionale und formtreue Abbildung des zu messenden Signals innerhalb des bereits synchronisierten Systems erfolgt.

2. Schallungsanordnung zur Durchführung des sclbstsynchronisiercndcn Abtastverfahrens im Doppelbelrieb nach Anspruch 1, bei der der Eingang des zu messenden Signals über eine Abtastschaltung und eine Verstärker- und Formierungsschallung an den Steuerungseingang der Abtastschaltung angeschlossen ist und an den Steucrungseingang der Abtastschaltung bei Einschaltung des Komparator die Ausgänge eines Schncllkippgenerators und Stufcngcnerators angeschlossen werden und bei der ferner von der Leitung zwischen dem Stufengenerator und dem Komparatoreingang der andere Ausgang des Abtastsystems abgezweigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang der Verstärker- und Formierungsschaltung (4) und den Ausgang (5) des Abtastsystems der eine Ausgang (a) eines Zwciwcgcschaltkreises (16) angeschlossen ist, während der andere Ausgang fty desselben Zweiwcgcschaltkreiscs (16) mittels Einschaltung eines Schlcifcnfiltcrs (13) und eines spannungsgesteucrien Oszillators (12) einerseits an den Steucrungseingang des Zweiwegeschaltkrcises (16) gekoppelt ist und andererseits mit den Steueriingscingängcn des Schncllkippgenerators (9) und des Stufengencrators (10) verbunden ist und außerdem mit der gemeinsamen Anschlußleitung der Abtastschaltung (3) des Komparator (7) verbunden ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtastung der Form- und Zeitparameter von schnell veränderlichen elektrischen Hochfrequenz-Signalen, bei dem vom eintreffenden Signal zeitlich abgestimmt Proben genommen werden, aus denen das zeitlich transformierte, formtreue Niederfrequenzabbild des zu messenden Signals erzeugt wird.

Aus der DE-AS 11 25 543 ist ein Verfahren zur Zeitdehnung hochfrequenter Signale für elektrische Registrierzwecke bekannt, das in Abtasloszillographen Verwendung findet. Dem bekannten Verfahren liegt ganz allgemein das Arbeitsprinzip von Zeitdehnungsabtastsystemen zugrunde, bei denen das Abtastsignal aus dem zu messenden Signal ein Startsignal benötigt. Solche Abtastsysteme sind weilverbreitet, weil sie den Vorteil bieten, daß die Abtaslimpulse in den beliebig einstellbaren Bereich der Periode des zu messenden Signals fallen. Ein erheblicher Nachteil dieser Abtastsysteme ist jedoch darin zu sehen, daß das zu messende

Signal aufgrund seines Durchgangs durch das Synehronsignal-Kopplungsgcräi verzerrt wird und deshalb in d;'s Abtastsystem Meßungenauigkeiien einführL Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die zur Zeitdehnung notwendigen Synchronsignale unmittelbar aus dem /u prüfenden Hochfrequenzsignal erzeug! werden. Dies ist deshalb nachteilig, weil dadurch einerseits die Anpassung des Meßsystems an das /u messende System nicht gesichert ist, wodurch Reflektionen entstehen, die die Meßergebnisse verfälschen. Andererseits ergibt sich, wie aus der oben erwähnten DE-AS 11 25 543 ersichtlich, aufgrund der unmittelbaren Verbindung zwischen der Torschaltung und dem .Synchroneingang eine Wechselwirkung, wodurch die Synchronempfindlichkeit des Systems und die Formtreue der Abbildung erheblich beeinträchtigt werden. Aus dem Torslromkreis gelangt während der Abtastung unvermeidlich ein Störimpuls an den Eingang des Systems, der zugleich auch der Eingang der das Synchronsignal erzeugenden Stromkreise ist. Der Abtastimpuls folgt um mehrere lOnsec. auf das Synchronsignal, das von dem System geliefert wird, und bildet aus jeder Periode des zu messenden Signals den kurzzeitigen Impuls zur Anzeige der gleichen Phasenlage. Die aus dem Torstromkreis kommenden Störimpulse gelangen über die Verstärkerstiifc an den Eingang des Kippstromkrcises und steuern diesen, wobei sie dem zu messenden Signal überlagert sind. Dadurch wird bei der Synchronisierung eine Phasenunsicherheil bewirkt, die zur Folge hat, daß bei geringen Signalpegeln die Synchronisierung unmöglich wird, aber auch bei größeren Signalpegeln erhebliche Verzerrungen auftreten.

Das aus der genannten DIl-AS 11 25 543 bekannte Verfahren dient zur Untersuchung von Signalen mit einer verhältnismäßig niedrigen Wiederholungsfrequenz von einigen 100 MIIz. Selbst bei Verwendung der bekannten modernen Schaltelemente kann in jeder Periode des Signals der kurzzeitige .Synchronimpuls zur Bezeichnung der gleichen Phasenlage, durch die nach der Unterteilung über die Verzögerung das Abtasten gesteuert wird, nicht gesichert werden. Dies bedeutet, daß beispielsweise im Falle eines Signals mit einer Frequenz von IGHz ein Kippslromkrcis notwendig wäre, der mit einer Häufigkeit von IGHz die Synchronimpulse abgibt, die im Vergleich zur Periodenzeit von 1 CiHz(I nsec.) klein sind.

Auch ein Abtastoszilloskop. das für 18CiHz geeignet im. kann nur Signale mit einer Wicderholungsfrcquen/ von 1 CiH/ synchronisieren. Auch die Synchronempfindlichkeit ist bedeutend schlechter als die Empfindlichkeit des Abtastslromkreises. Um Signale mit einer Wiederholungsfrequenz größer als 1 GHz messen zu können, sind weitere aufwendige und aus speziellen Hochfrequenzclementen aufgebaute besondere Einheiten erforderlich, durch die jedoch wiederum die Anpassung des Systems verschlechtert wird und zugleich ein höherer Signalpegel entsteht, als ihn der Abtaststromkreis verarbeiten kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, das Verfahren der genannten Art so auszubilden, daß es auch bei höheren Frequenzen eine wesentlich größere Empfindlichkeit aufweist und bei erhöhten Grenzfrequenzen der Synchronempfindlichkeit und des Abtaststromkreises die Breitbandanpassung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abtastung im Doppelbetrieb mit zwei Betriebsarten ausgeführt wird, daß in der einen Betriebsart mit Hilfe eines Rückkoppelungssystems eine