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"Anordnung zur Aufbereitung periodischer Signale"
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aufbereitung periodischer
Signale.
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Der Erfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde: Aus einem Eingangssignal,
das aus einem periodischen Originalsignal mit bekannter maximaler Frequenzänderung
pro Zeiteinheit (df/dt) besteht und zusätzlich Lücken, Phasensprünge und Störfrequenzanteile
aufweist, soll ein kontinuierliches Ausgangssignal erzeugt werden, das ohne starren
Phasenbezug dem Originalsignal mit hoher spektraler Güte entspricht. Dabei soll
eine Auflösegenauigkeit von 1 O/oo erreicht werden.
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Die Erfindung besteht darin, daß für jeweils zwei aufeinander folgende
Signalperioden Vergleichsmittel vorgesehen sind, die feststellen, ob die Perioden
innerhalb vorgegebener Toleranzen miteinander übereinstimmen, daß eine Auswahllogik
vorgesehen ist, die, sobald eine einstellbare Anzahl von hintereinander liegenden
Signalperioden als innerhalb der Toleranz liegend festgestellt worden ist, jede
der auf diese miteinander übereinstimmenden Signalperioden folgende Signalperiode,
sofern sie gleichfalls innerhalb der vorgegebenen Toleranz
liegt,
in ein Referenz-Register durchschaltet, daß an dieses Referenz-Register ein Zähler
(digitaler Oszillator) ngeschlossen ist, der mit der im Referenz-Register zwischengespeicherten
Information über die Dauer der aktuellsten (jüngsten eingelaufenen) Signalperiode
gespeist wird und dessen Zählrhythmus mit der Signalfrequenz betragsmäßig identisch,
jedoch phasenmäßig unabhängig ist, und daß für den Fall, daß die Vergleichsmittel
eine Signalperiode als außerhalb der vorgegebenen Toleranz liegend feststellen,
die Vergleichsmittel die Auswahllogik veranlassen, die Durchschaltung der Periodendauerinformation
zum Referenz-Register solange zu sperren, bis das Durchschaltkriterium wieder erfüllt
ist.
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Damit wird jedes Periodenmeßdauerergobnis, das ein in der Meßanordnung
erzeugtes Kriterium erfüllt, einem digitalen Oszillator als Referenz übergeben,
um zu gewährleisten, daß der digitale Oszillator die angelieferte Signalfrequenz
mit extrem hoher spektraler Güte reproduziert, ohne daß in diesem frequenzmäßig
bereinigten Signal die im Ursprungssignal existierenden Phasen- und/oder Amplitudenstörungen
enthalten sind. Das Ausgangssignal des digitalen Oszillators weist nämlich keinen
Phasenbezug zum Eingangssignal auf und ist somit son Phasensprüngen unbeeinflußt.
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Zur Ableitung des flewertungskriteriums für die Periodendauer dient
bei der erfindungsgemäßen Anordnung das Referenz-Register, das immer die jüngste
als innerhalb der Toleranz liegend festgestellte Signalperiodendauer beinhaltet.
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In den Vergleichsmitteln ist der Vorgabewsrt der Toleranz für die
Signalperioden zweckmaßigerweise abhängig von derjenigen Information über die Signalperiodendauer,
die die für die Durchschaltung zum Referenz-Register genannten kriterien
erfüllt,
beispielsweise kann man die Abhängigkeit dieses Vorgabewertes nach Maßgabe des momentanen
Inhaltes des Referenz-Resisters wählen. Der absolute Grundbetrag dieser Toleranz
für die Signalperioden wird unter Berücksichtigung der maximalen, zur Verarbeitung
erwarteten zeitlichen Signalfrequenzänderung gewählt.
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Sehr vorteilhaft für den Erfindungsgegenstand ist seine Einfachheit,
Wirtschaftlichkeit und Funktionssicherheit.
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Die Vergleichsmittel enthalten beispielsweise einen Aufwärtszähler
für die eine Signalperiode und einen Abwärtszähler für die darauf folgende Signalperiode,
wobei mit einer Taktfrequenz gezählt wird, die sehr viel größer als die Signalfrequenz
gewählt ist. Eine Fensterlogik kann die vorgegebene Toleranz für die Signalperioden
dadurch feststellen, daß die Abwärtszählung, die beim Endwert der vorangehenden
Aufwärtszählung beginnt, bei einem Wert endet, der um das vorgegebene Maß von Null
abweicht; dieser Endwert kann, wie anhand der Schaltbilder weiter unten gezeigt,
vom positiven Bereich über Null hinaus in den negativen Bereich hineinlaufen, jedoch
ist der Vergleich noch vorteilhafter durchführbar, wenn bei der Abwärtszählung eine
Betragsbildung durchgeführt wird, die dadurch erreicht wird, daß der Abwärtszähler
nach Erreichen des Zählstandes Null seine Zählrichtung umkehrt und aufwnrtszählt,
so daß er dann von Null her die Toleranzgrenze erreicht.
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Zur Optimierung für den jeweiligen Anwendungsfall ist ein einstellbares
Schiebe-Register zweckmäßig, das einzustellen gestattet, wie viele Periodenvergleiche
hintereinander innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen müssen, bis die
Periodendauer
an das Referenz-Register angeschaltet wird.
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Um zu verhindern, daß der digitale Oszillator im Falle sehr großer
Lücken im ursprünglichen Signal eine unzulässig große Anzahl von Signalperioden
gemäß der ihm letztzugogansenen Information reproduziert, ist es zweckmäßig, einen
Zähler vorzusehen, der veranlaßt, daß nach Erreichen der maximal zulässigen Anzahl
von regenerierten Signalperioden das originale Signal unmittelbar zu dem Ausgang
der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeschaltet wird, solange bis diese Anordnung
wieder bestimmungsgemäß arbeiten kann.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand ihrer in den Abbildungen dargestellten
Ausführungsbeispiele schaltbildmäßig und funktionsiäßig näher erläutert; die Erfindung
ist hardware -mäßig auch anders realisierbar, Die Figuren 2a bis 2c sind hierbei
als zusammengehörige Fig. 2 zu betrachten. Die Unterbrechungsstellen zwischen den
Figuren 2a und 2b einerseits und 2b und 2c andererseits sind jeweils mit gleichen
kleinen Buchstaben des Alphabets bezeichnet, um zusammengehörige Teile zu identifizieren.
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Die Schaltung gliedert sich - in Anlehnung an das Blockschaltbild
der Fig. 1 - in folgende Funktionsgruppen: Eingangs-Impulsformer 49, 50 Taktgenerator
1, 2 Digitaler Oszillator, bestehend aus Abwärtszähler 3, ... 6 mit Rückkopplung
7, 8 Register 11, ... 13 mit Bereichsanmeldunb 9, 10 1. Periodenmesser (Aufwärtszähler)17,
... 21 2. Periodenmesser (Abwärtszähler) 29, ... 32 Fensterlogik 33, ... 48 Auswahllogik
25, ... 28 Übernahme-Gatter 14, 15 (Synchronisier-Gatter 16) Ablöse-Logik 22 Umschalter
23 Ausgaigs-Pulsformer 24
Das Eingangssignal (Rechteckform) löst
mit seinen positiven Flanken im Eingangs-Impulsformer 49, 50 ein Impulspaar EM 1,
EM 2 von je 50 ns Länge aus. Der erste Periodenmesser 18, 21 wird von EM 2 auf Null
gesetzt und beginnt daraufhin mit der vom Taktgenerator 1, 2 gelieferten Frequenz
von ca. 8 MHz im Binär-Code hochzuzählen. Nach Ablauf einer Signalperiode wird mittels
EM 1 der im ersten Periodenzähler momentan anstehende Zählerstand in den zweiten
Periodenzähler 29, ... 32 geladen. Dieser zählt daraufhin mit der gleichen Taktfrequenz
abwärts.
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Die Fensterlogik 33, ... 48 liefert ein " Signal am Ausgang 43, sobald
der Abwärtszähler einen bestimaten positiven Wert nahe Null erreicht hat und liefert
ein eO"-Signal, sobald der gleiche negative Wert unterschritten wird, vorausgesetzt,
der Zähler ist in der Zwischenzeit nicht neu geladen worden. Es wird also ein Erwartungs-Zeitfenster
gebildet, in welches bei konstanter Eingangsfrequenz der nächste am Eingang gebildete
Impuls hineintreffen muß. Eine genaue Beschreibung der Fensterlogik erfolgt später
anhand der Fig. 3.
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Die Auswahllogik 25, ... 28 zählt nun ab, wie oft nacheinander ein
Eingangsinpuls in das Erwartungsfenster gefallen ist.
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Trifft ein Eingangsimpuls EM 1 neben das Erwartungsfenster, so liefert
das Gatter 26 einen Löschinpuls und das Schieberegister 25 wird auf Null gesetzt.
Fällt aber der Eingangsimpuls ins Fenster, so bildet das Gatter 27 einen Taktimpuls
und es wird eine 'tl" ins Schieberegister 25 geschoben. So erscheint z. B. am Schieberegister-Ausgang
C erst dann ein "i-Signal, wenn dreimal nacheinander ein Eingangsimpuls in das Fenster
gefallen ist. Damit ist eine strenge Kontrolle der Eingangssignal-Perioden erfolgt
und der zuletzt gemessene
Periodenwert darf als soweit konstant
angesehen werden, daß er als Steuergrdße für den digitalen Oszillator brauchbar
ist.
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Über das Übernahme-Gatter 14, 15 wird ein Übernahme-Impuls Ü gebildet,
der den Zählerstand des ersten Periodenmessers 18, ... 21 in das Frequenzregister
11, ... 13 einschreibt.
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Der Abwärtszähler 3, ... 6 lädt sich selbst bei Erreichen des Zählerstandes
"Null" über 8, 7 stets auf den Wert, der im Frequenzregister 11, ... 13 steht. Er
bildet mit diesem zusammen den steuerbaren digitalen Oszillator. Seine Ladeimpulse
(ca. 30 ns lang) stoßen über den Umschalter 23 ein Monoflop 24 (oder ein Flip-Flop)
an, welches eine einheitliche Ausgangs-Impulsfolge mit für die weitere Verarbeitung
# brauchbarer Länge liefert. Mit U am zweiten Eingang des Gatters 7 können Fehlübernahmen
in den Abwärtszähler 3, ... 6 verhindert werden.
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Eine Synchronisierung des digitalen Oszillators mit dem Eingangssignal
kann für Sonderfälle bei Freigabe der Konjunktion 16 über die Oderschaltung 8 erfolgen.
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Die Ablöselogik besteht aus einem Zähler9 der bei jedem Ubernahmeimpuls
Ü auf einen einzustellenden, die maximal zulässige Anzahl der zu reproduzierenden
Signalperioden darstellenden Wert geladen wird und mit jedem Oszillatorpuls aus
dem digitalen Oszillator als Takt abwärtszählt, bi3 er bei Erreichen der Nullstellung
über einen Umschalter (23) die Eingangsimpulsfolge EM 1 an das Monoflop 24 durchschaltetO
Das Erwartungs-Zeitfenster soll e-in Kriterium für die Konstanz der eintref£enden
Perioden liefern. Die Fensterbreite muß umschaltbar sein, um sich dem aktuellen
Frequenzbereich anzupassen und so die rolative Fensterbreite in vorgegebenen Grenzen
zu halten.
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Die kleinste Fensterbreite soll zwischen den Zählerstellungen (Darstellung:
MSB...LSB) 0000.0000.0000.xxxx (positiver Teil) und 1111.1111.1111.xxxx (negativer
Teil) liegen. Der positive Teil wird aus den Teilkonjunktionen 41, 42 und 47, 45
gebildet, der negative Teil wird aus den Teilkonjunktionen 39, 40 und 48, 46 gebildet.
Beide Teile werden von der Disjunktion in 44 zusammengefaßt, sobald nach 43 das
gesamte Fenster zur Verfügung steht.
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Bei Eingangsfrequenzen unter 2 kHz (entsprechend längeren Perioden)
gelangen "1" an die Eingänge von 10 und die damit erzeugte "0" legt die Ausgänge
von 35 bis 38 fest auf "lkw, so daß sich die Fenstergrenzen auf 0000.0000.00xx.xxxx
und 1111.1111.llxx.xxxx erweitern.
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Bei Eingangsfrequenzen unterhalb 500 Hz steigt der gespeicherte Wert
im Frequenzregister weiter an, es gelangen "11' auch noch an 9. 45, 46 liefern fest
"1" und die Fenstergrenzen werden auf 0000.0000.xxxx.xxxx und llli.llll.xxxx.
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xxxx erweitert.
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Der so erzeugte Fensterbreiten-Verlauf ist ersichtlich aus dem Diagramm
"Fensterbreite - Frequenz".
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Durch Änderung der Dekodierschaltung kann der Fensterbreiten-Verlauf
in weiten Grenzen den jeweiligen Erfordernissen (Frequenzbereich, zeitliche Frequenzänderung)
angepaßt werden.
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Es gibt folgende Sonderfälle: a) Einschalten Es werden keine Eingangsimpulse
geliefert. Der Zähler 18, ... 21 läuft einmal hoch und sperrt bei Überlauf mit 17
den Takt. Die Ablöse-Logik 22 wird durch die am Clear-Eingang
liegende
RC-Kombination in Ruhestellung festgehalten und der Umschalter 23 steht so, daß
das zu erwartende Eingangssignal an das Ausgangs-Monoflop geschaltet wird.
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b) Eingangsfrequenz unterhalb 122 Hz: Der Zähler 18, ... 21 läuft
8,2 ms nach jedem Eingangsimpuls EM 1 über. Das Signal CO sperrt den eigenen Takt
mittels 17 und hält das Schieberegister 25 über 28 und 26 in Nullstellung fest.
Danit ist die Erzeugung von Übernahmeimpulsen mit 14, 15 unterbunden, die Ablöse-Logik
22 bleibt in Ruhestellung und liefert über 23 das Eingangssignal an das Ausgangs-Monoflop
24.
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c) Lücken im Signal oberhalb 122 Hz: Die Schaltung funktioniert wie
in Sonderfall b, aber das Ablöse-Monoflop 22 bleibt für die Zeitdauer tF von Beginn
der Lücke ab noch in Arbeitsstellung und schaltet die zuletzt gefundene Frequenz
des digitalen Oszillators an das Ausgangs-Monoflop 24 durch. Ist die Lücke länger
als tF, so wird das Eingangssignal übernommen.
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d) Frequenzen oberhalb 7,8 kHz: Frequenzen oberhalb 7,8 kHz werden
ebenso verarbeitet wie unterhalb, nur unterschreitet die theoretische Auflösung
den geforderten Wert von 1 '; . Die Praxis zeigt jedoch, daß die tatsächliche Genauigkeit
mindestens um den Faktor 2 höher liegt als die theoretische (Nulldiagonale im Diagramm
nFensterbreite - Frequenz"), so daß bei 15 kHz eine Auflöse-Genauigkeit von>1
# erreicht wird.
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Für die praktische Dimensionierung der Zählerlänge N gilt allgemein
mit G = Genauigkeit und F = Signalfrequenz
Die Taktfrequenz FT
errechnet sich aus
Als sehr vorteilhaft hat sich erwiesen, daß an den internen Taktgenerator 1, 2 keine
besonderen Forderungen im Hinblick auf Langzeitkonstanz gestellt werden müssen.
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Eine vorteilhafte, spezielle Anwendung der Erfindung ist in der deutschen
Patentanmeldung P 26 59 534.6 beschrieben.
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Weitere Anwendungen, z. B. bei der Abstandsmessung oder der Füllstandsmessung
(Hochofenradar) sind denkbar.