DE2802070A1

DE2802070A1 - Verfahren und einrichtung zur messung der dauer von impulsen

Info

Publication number: DE2802070A1
Application number: DE19782802070
Authority: DE
Inventors: Andrew Thomas John Bailey; Roy William Vanlint
Original assignee: AC Cossor Ltd
Current assignee: AC Cossor Ltd
Priority date: 1977-01-18
Filing date: 1978-01-18
Publication date: 1978-07-20
Also published as: JPS5390973A; US4168467A; GB1558042A; FR2377639A1

Description

P ΑΤΕΝΤΑΛί VVÄI/ΓΕ DR. DIETER V. BKZOLD DIPL. ING. PETEIt SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER 2802070

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Case Nr. 20686 ^4ϊβΝΙβ

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GB-PA 1948/77

AT: 18.Januar 1977

A.C.COSSOR LIMITED
The Pinnacles, Harlow, Essex CH19 5BB/England

Verfahren und Einrichtung zur Messung der Dauer von Impulsen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung der Dauer von Impulsen, die wiederholt auslösbar sind. Solche Impulse kommen z.B. bei Kabel fehlerortungsgeräten vor und stellen die Zeit dar, die ein Prüfimpuls zu einem eine Reflexion verursachten Fehler in einem geprüften Kabel und zurück braucht.

Es ist bekannt, die Dauer unbekannter Impulse mit Hilfe von Taktimpulsen dadurch zu messen, daß man die Anzahl der Taktimpulse zählt, die während des Impulses auftreten, dessen Dauer zu bestimmen ist. Die Periode der Taktimpulse muß in einem solchen Falle offensichtlich kurz genug sein, um die für die Messung geforderte Auflösung zu gewährleisten. Bei der Fehlerortung in Kabeln kann die zu bestimmende Impulsdauer gegebenenfalls nur 1 ms betragen und für eine Meßgenauigkeit von 1% wird dann eine Takt-

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impulsfrequenz von 100 MHz entsprechend einer Periode von 10 ns benötigt. Es gibt zwar digitale Schaltungsanordnungen, die solche Frequenzen verarbeiten können, sie sind jedoch verhältnismäßig teuer und verbrauchen eine erhebliche Leistung, so daß einem Batteriebetrieb Grenzen gesetzt sind. Kabel fehlerortungsgeräte sollen jedocj tragbar und daher vorzugsweise batteriegespeist sein.

Es ist aus der US-PS 3 325 750 bekannt, daß in übertragung des bekannten Nonius-Prinzips auf die Elektronik durch Verwendung von Taktimpulsen mit nahe benachbarten Frequenzen f^ und f^ eine Auflösung gleich der Differenz zwischen 17f, und 1/f₀ erreicht werden kann. Im bekannten

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FaIle wird für die Messung nur ein einzelner Impuls verwendet und man muß jeweils einen von zwei Taktoszillatoren am Anfang bzw. Ende des unbekannten Impulses einschalten. Hierbei treten jedoch erhebliche Probleme durch Impulszittern und Anschwingungenauigkeiten auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Einrichtungen der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen die Taktoszillatoren kontinuierlich laufen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der vorliegenden Erfindung werden Schaltungsanordnungen verwendet, die die Dauer eines Impulses mit einer Auflösung oder Genauigkeit zu bestimmen gestatten, die kleiner ist als die Periode der in der Schaltung verwendeten Taktsignale. Man kann daher im Mittel billigere Schaltungsanordnungen verwenden und kommt insbesondere auch mit einem wesentlich geringeren Leistungsverbrauch aus. Beispielsweise läßt sich ein Auflösungsvermögen von 1 ns mit überwiegender Verwendung von CMOS-Schaltungen erreichen, die mit relativ niedrigen Frequenzen, z.B. bis etwa 1 MHz, betrieben werden können.

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Eine Einrichtung gemäß der Erfindung enthält eine Anordnung zum Erzeugen erster und zweiter Taktimpulsreihen mit nahe benachbarten Wiederholungsfrequenzen, eine Ausgangsklemme zur Abnahme der ersten Taktimpulse, die zur Auslösung der Impulse, deren Dauer gemessen werden soll, dienen, eine Eingangsklemme für die Impulse, deren Dauer zu messen ist, eine Tor- oder Verknüpfungsschaltung, die im Betrieb durch die Flanken vorgegebenen Sinnes der zweiten Taktimpulse und der Impulse, deren Dauer zu messen ist, gesteuert ist und einen Meßimpuls für jede Flanke liefert, die in einem der Impulse, deren Dauer zu bestimmen ist, auftritt, und eine Anordnung zum Zählen der Meßimpulse.

Die vorgegebenen Flanken gleiten (in einem Sinne, der davon abhängt, ob die ersten oder zweiten Taktimpulse die größere Frequenz haben) um einen Betrag t pro Zyklus der ersten Impulse, wobei t durch die Differenz zwischen 1/f« und 1/fp gegeben ist und f. bzw. f« die Wiederholungsfrequenzen der ersten und zweiten Taktimpulse sind. Wenn man genügend nahe beieinanderliegende Frequenzen f- und f^ verwendet, läßt sich t sehr viel kurzer als 1/f^ oder 1/f„ machen. Das Gleiten, Wandern oder sich Verschieben der Impulsflanken hat zur Folge, daß nur eine gewisse Anzahl N von Flanken mit den Impulsen, deren Dauer zu messen ist, zusammenfallen, die Dauer beträgt daher Nt und läßt sich mit der Genauigkeit oder Auflösung t messen.

Wenn man die Dauer einer einzelnen Messung nicht auf einen Wert T beschränkt, der höchstens gleich dem Reziprokwert der Differenz der Frequenz f^ und f„ ist, wiederholt sich offensichtlich die Koinzidenz der Impulsflanken mit den Impulsen unbekannter Dauer und es findet eine Mehrfachzählung statt. Um dies zu verhindern, kann man von der Schwebungsfrequenz zwischen f. und f„ einen weiteren Impuls der Dauer T ableiten und die Verknüpfungs- oder Torschaltung kann nur während der Anwesenheit des weiteren Impulses freigegeben werden, um ein Meßintervall zu definieren, während dessen die Meßimpulse gezählt werden können. Das Meßintervall kann auch auf andere Weise definiert werden, z.B. durch Verwendung einer monostabilen Schaltung (Monovibrator), dessen Kippdauer nicht größer als T ist. Es ist jedcfch auch möglich, die Messung auf eine Periode nT

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auszudehnen und das Resultat zur Bestimmung der Impulsdauer durch η zu teilen. Durch ein solches Verfahren werden etwaige Störungen im System ausgemittelt und höhere Genauigkeiten erreicht.

Für die Verwendung des Verfahrens der Einrichtung gemäß der Erfindung ist selbstverständlich Voraussetzung, da^ die Dauer der zu messenden Impulse während der Meßdauer konstant bleibt.

Im folgenden wird ein Ausführuncisbeisniel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, wobei beispielsweise numerische Werte verwendet werden, wie sie zur Messung von kurzdauernden Impulsen geeignet sind, wie sie bei der Fehlerortung in Kabeln vorkommen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles einer Einrichtung gemäß der Erfindung und

Fig. 2, 3 und 4 Diagramme von Signal verlaufen, auf die bei der Erläuterung des Verfahrens und der Einrichtung gemäß der Erfindung Bezug genommen wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält einen ersten Kristalloszillator 10, der mit einer Frequenz f, - 1,001001 MHz arbeitet, und einen zweiten Kristalloszillator 12, der mit einer Frequenz fp = 1,000000 MHz arbeitet. Der Unterschied t der Schwingungsperioden der beiden Kristalloszillatoren ist dementsprechend 1 \is - 0,999 [is = 1 ns. Es sei bemerkt, daß an die absolute Stabilität der Oszillatoren keine übermäßigen Ansprüche gestellt zu werden brauchen. Kleine Schwankungen von f. und f_? sind zulässig, vorausgesetzt daß t im wesentlichen konstant bleibt, was durch Verwendung gepaarter oder gleichartiger Kristalle in den beiden Oszillatoren erreicht werden kann. In Fig. 2 (a) und (b) sind die mittels der beiden Oszillatoren erzeugten Taktsignale der Frequenzen f« bzw. f. dargestellt und das Zeitintervall t ist in bezug auf das

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Taktsignal (b) angegeben.

Die Signale der Frequenzen f. und f„ werden einem Schwebungsfrequenzgenerator 14 zugeführt, der ein in Fig. 2(c) dargestelltes Signal der Differenzfrequenz fVfo liefert. Der Schwebungsfrequenzgenerator kann ein D-Flipflop sein, dessen D-Eingang das Signal mit der Frequenz f. und dessen Takteingang das Signal mit der Frequenz f, zugeführt sind. Die Differenzfrequenz beträgt tatsächlich 1,001 kHz und die Periode des Signals gemäß Fig. 2(c) beträgt dementsprechend 999 \is. Durch ein als Teiler mit dem Teilungsfäktor 2 arbeitendes Flipflop 16 wird ein 999 μ5 dauernder Impuls erzeugt, der in Fig. 2(d) dargestellt ist und die Dauer T des Meßintervalles bestimmt.

Die Impulse der Frequenz f* werden ferner einer Ausgangsklemme zugeführt, damit sie als Ausloseimpulse einer Einrichtung 20, wie einem auf dem Echoprinzip arbeitenden Kabel fehlerortungsgerät zugeführt werden können, das jeweils mit der Erzeugung eines Impulses unbekannter Dauer ("unbekannter oder zu messender Impuls") reagiert. Die zu messenden Impulse werden einer Eingangskiemms 22 zugeführt, welche mit einem D-Eingang eines D-Flipflops 24 verbunden ist, dem die Impulse der Frequenz f~ als Taktimpulse zugeführt sind. Das D-Flipflop reproduziert oder kopiert den Zustand des unbekannten Impulses im Zeitpunkt der ansteigenden Flanken von f_?.

In Fig. 3 (a) und (b) sind wieder die Signale der Frequenzen f« bzw. f. dargestellt, ferner zeigt Fig. 3 (c) eine Folge von Impulsen unbekannter Dauer, die mit 5ns, also sehr kurz angenommen würde. Die Vorderflanken der unbekannten Impulse fallen jeweils mit einer ansteigenden Flanke von f. zusammen, da f. die unbekannten Impulse auslöst. Die ansteigenden Flanken von f„ sind bei den Zeitpunkten t., t~ usw. dargestellt. Das Flipflop 24 wird im Zeitpunkt t₁ gesetzt, da der unbekannte Impuls in diesem Augenblick einen Wert entsprechend der Binärzahl L annimmt. Die unbekannten Impulse bleiben auf diesem "wahren" Wert L bei t₇, t₇, t, und tj-, sie verschieben sich jedoch um 1 ns pro Zyklus von f^ nach hinten, da sich f₉ und f₁ pro Zyklus um 1ns gegeneinander ver-

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schieben. IniZeitpunkt t_fi nimmt der unbekannte Impuls also einen der Binärzahl "0" entsprechenden "falschen" Wert an, während die Flanke von fr, ansteigt, so daß das Flipflop 24 zurückgesetzt wird.

Das in Fiy. 3 (d) dargestellte Ausganqssignal des Flipflops 24 ist. also ein Impuls mit einer Dauer gleich der von 5 Zyklen von f~. Dieser Impuls wird einem Verknüpfungsglied 26 zugeführt, dem als weitere Eingangssignale das Signal f~ und das Signal gemäß Fig. 2 (b) vom Flipflop 16 zugef+hrt werden. Bei diesem Beispiel läßt das Verknüpfungsglied ?6 fünf fy -Impulse als Meßimpulse durch, was anzeigt, daß die Dauer der unbekannten Impulse ft, d.h. 5ns ist. Das Verknüpfungsglied 26 liefert das in Fig. 3 (e) dargestellte Ausgangssignal, das gegenüber f„ invertiert ist, da angenommen worden war, daß das Verknüpfungsglied ein NAND-Glied ist. Das Flipflop ?A und das Verknüpfungsglied 16 bilden eine Torschaltung, welche durch die ansteigenden Flanken von f_? und die unbekannten Impulse sowie auch durch die f„-Impulse selbst gesteuert wird und die Meßimpulse durchläßt, wie es in Fig. 3 (e) dargestellt ist.

In Fig. 4a ist wieder der 999 us-Impuls vom Flipflop 16 dargestellt. Fig. 4(b) zeigt den Impuls vom D-Flipflop 24 und Fig. 4 (c) die Impulse, die vom Verknüpfungsglied 26 durchgelassen werden. Diese Impulse werden einem ZÄhler 28 zugeführt, der den Wert von N ermittelt, der dann durch eine konventionelle Anzeigevorrichtung (30) angezeigt wird.

Die Einrichtung enthält ferner eine Steuereinheit 32 üblichen Typs, wie sie bei Instrumenten für wiederholte Messungen üblich ist. Im einfachsten Falle braucht die Steuereinheit 32 lediglich den Zähler als Reaktion auf jede ansteigende Flanke des Ausgangssignals des Flipflops 16 zurückzustellen. Die Anzeigeeinrichtung sollte dann den Zählerinhalt zu speichern vermögen, der beispielsweise bei jeder abfallenden Flanke des Ausgangssignals des Flipflops 16 in ein Pufferregister eingegeben werden kann. Alternativ kann die Steuereinheit bewirken, daß bei Betätigung eines Druckknopfes oder Schalters an der Frontplatte des Gerätes jeweils nur eine einzige Messung durchgeführt und das Ergebnis im Zähler 28 gehalten wird. Selbstverständlich kann man sich auch eines

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anderen Systems bedienen, wie es in digitalen Instrumenten dieser Art üblich ist.

Trotz der Tatsache, daß die Meßoenauigkeit i ns beträgt, treten in der Schaltungsanordnung nirgends Frequenzen über i,ö0!001 MHz auf und mit einer Ausnahme kann die ganze Schaltungsanordnung gemß Fig. 1 mit handelsüblichen CMOS-Schaltkreisen aufgebaut werden, die verhältnismäßig billig sind und wenig Betriebsleistung erfordern. Die Ausnahme ist das Flipflop 24, das sehr schnell arbeiten muß, wenn eine Genauigkeit von 1ns gewährleistet sein soll. Für diesen Schaltungstell wird man daher Schaltkreise mit ausreichend hoher Arbeitsgeschwindigkeit verwenden, z.B. TTL-Schaltungen.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Meßwert durch die Anzeigevorrichtung 30 in Nanosekunden angezeigt. Der digitale Meßwert kann selbstverständlich in bekannter Weise in eine andere mit dem Meßwert in Beziehung stehende Größe, wie Meter, umgerechnet werden. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Kabel fehlerortungsgeräte beschränkt, sondern kann auch bei anderen Einrichtungen, wo ähnliche Meßaufgaben auftreten, verwendet werden, z.B. bei Sonar-Systemen, bei denen sich die Dauer der unbekannten Impulse genügend langsam ändert, so daß sie für die Dauer des Meßintervalls als praktisch konstant angesehen werden kann.

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Claims

Patentansprüche

'Verfahren zum Messen der Dauer unbekannter Impulse unter Verwendung von zwei Taktimpulsfolgen mit nahe benachbarten Frequenzen f,. bzw. fp mit einem Auflösungsvermögen, das gleich der Differenz der Reziprokwerte 1/f. bzw. 1/fp dieser Frequenzen ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die ersten Impulse (f,.) zur wiederholten Auslösung der unbekannten Impulse verwendet werden und daß Flanken eines vorgegebenen Sinnes der zweiten Taktimpulse (f-)» die innerhalb eines der unbekannten Impulse auftreten, zum Messen der Dauer gezählt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zählen nur innerhalb eines Meßintervall es zugelassen wird, welches auf dem Reziprokwert der Differenz zwischen den Frequenzen f. und fp gewonnen wird.

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3. Einrichtung zur Messung der Dauer unbekannter Impulse unter Verwendung von zwei Taktimpulsfolgen mit nahe benachbarten Frequenzen f. und fp mit einer Genauigkeit gleich der Differenz zwischen \/f. und 1/fo> enthaltend je eine Schwingungserzeugungsschaltung für jede Taktimpulsfolge, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schwingungserzeugungsschaltung (10) ein Signal der ersten Frequenz (f.) an eine Ausgangskiemme (18) liefert, an die eine Quelle für die Impulse der unbekannten, zu messenden Dauer anschließbar ist; daß eine Eingangsklemme

(22) für die Impulse unbekannter Dauer vorgesehen ist und daß ein Signal der zweiten Frequenz(f«) von einer zweiten Schwingungserzeugungsschaltung (12) und die Impulse von der Eingangskiemme (22) einer Koinzidenzschaltunq (24, 26) zugeführt sind, die jedesmal dann für das Durchlassen eines Impulses zu einem Zähler (28) freigegeben wird, wenn eine Flanke vorgegebenen Sinnes des Signales der zweiten Frequenz (f~) mit einem der Impulse zusammenfällt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koinzidenzschaltung (24, 26) eine bistabile Schaltung ( 24), die zur Reproduktion des Zustandes an der Eingangsklemme (20) durch das Signal der zweiten Frequenz (f_?) getaktet ist, und eine Verknüpfungsschaltung (26), die das Signal der zweiten Frequenz (f~) zu einem Zähler (28) durchschleust, wenn sich die bistabile Schaltung in demjenigen Zustand befindet, der der Anwesenheit eines Impulses an der Eingangsklemme (22) entspricht, enthält.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schwebungsfrequenzgenerator (14), der durch die Schwingungen der ersten und zweiten Frequenz (f. bzw. f«) gesteuert ist und ein Signal mit einer Frequenz gleich der Differenz der beiden Frequenzen erzeugt, und durch einen Frequenzteiler (16), der die Differenzfrequenz teilt und ein Signal erzeugt, das die Verknüpfungsschaltung (26) nach einem Intervall gleich N geteilt durch die Differenzfrequenz sperrt, wobei N eine ganze Zahl größer als oder gleich 2 ist.

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