DE2853110A1

DE2853110A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum messen des mittelwertes einer frequenz

Info

Publication number: DE2853110A1
Application number: DE19782853110
Authority: DE
Inventors: James L Sorden
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1977-12-19
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1979-06-21
Also published as: GB2010617B; GB2010617A; US4150432A; JPS5939651Y2; SE7812973L; DE2853110C2; JPS5496278U; HK19986A

Description

PATENTANWALT D-7261 Gechingen/Bergwald

, Lindenstr. 16

DIPL-ING. KNUD SCHULTE Jj. _Te,_{efon: (Q7056) 136?}

Patentanwalt K. Schulte, Lindenstr. 16. D-7261 Gechingen

Int. Az.: Case t248 21. November 1978

Hewlett-Packard Company

VERFAHREN UND SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM MESSEN DES MITTELWERTS EINER FREQUENZ

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Schaltungsanordnung zum Messen des Mittelwerts einer Frequenz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Frequenzzähler dieser Art sind beispielsweise beschrieben in US-PS 3 605 326 oder in dem Aufsatz "A New Generation in Frequency and Time Measurements", Hewlett-Packard Journal, Juni 1974. Bei derartigen Zählern wird eine Anzahl von mit unbekannter Frequenz auftretenden Signalen an einen Ereigniszähler während einer bestimmten Anzahl von Zeitintervallen geleitet. Dann wird ein Schaltkreis zum Messen des Gesamtzeitintervalls synchron mit dem Ereigniszähler betätigt. Die Anzahl der durch den Ereigniszähler gezählten Ereignisse geteilt durch die Gesamtdauer der Zeitintervalle ergibt näherungsweise den Wert der unbekannten Frequenz.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß bei der Messung jedes Zeitintervall es wegen Fehlanpassungen der Start- und Stoppfunktionen der Schaltung zur Messung des Gesamtzeitintervall es beim Messen jedes Zeitintervalles ein systematischer Fehler auftritt. Insbesondere bei reziproken Frequenzmessungen, bei denen kurze Zeitintervalle verwendet werden, macht sich dieser Fehler besonders bemerkbar.

Eine durch das Verfahren gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff gelöste Aufgabe besteht darin,

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Volksbank Böblingen AG, Kto. 108458008 (BLZ 60390220) - Postscheck: Stuttgart 996 55-709

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Int. Az.: Case 1248 - 5 -

bei der Frequenzmessung den mit der Messung einzelner Zeitintervalle verbundenen systematischen Fehler auszuschalten.

Bevorzugte AusfUhrungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.

Somit wird ein Zähler zum Bestimmen des Mittelwerts der Frequenz vorgesehen, der die Wiederhol frequenz der Eingangssignale ermittelt, indem die Anzahl der Eingangssignale durch die Gesamtdauer einer Anzahl zeitlich festgelegter Intervalle geteilt wird, die durch einen Intervall zähl er gezählt wird. Eine Eich- bzw. Referenzsignalquelle erzeugt Signale mit einer bekannten Wiederhol frequenz für den den Mittelwert der Frequenz bestimmenden Zähler und ermittelt einen systematischen Fehler, der mit der Messung der Dauer eines Zeitintervall es verbunden ist. Der systematische Zähler wird verwendet zur Korrektur der Messung der Gesamtdauer der Zeitintervalle, während welcher dem Zähler die Signale mit unbekannter Frequenz zugeführt werden.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellt dar:

Figur 1 ein Blockdiagramm einer Zählerschaltung, Figur 2 schematisch den Signalverlauf in Teilen der Synchronisierschaltung des Zählers,
Figur 3 das Rechen-Steuergerät der Zähleranordnung.

Gemäß Figur 1 kann durch einen Wählschalter 10 entweder ein Referenz-. frequenzsignal 15 oder ein Eingangssignal 20 gewählt und dieses gewählte Signal 25 einem Takteingang eines Flipflops 30 zugeführt werden. Ein Dateneingang des Flipflops 30 empfängt ein ausgewähltes Auslösesignal 35, welches mittels eines Schalters 40 entweder als externes Auslösesignal 45 oder als internes Auslösesignal 50 eingestellt werden kann. Das ausgewählte Signal 25 und ein Zeitintervall*- signal 32 von einem Ausgang Q des Flipflops 30 werden ersten bzw. zweiten Eingängen eines UND-Glieds zugeführt. Das UND-Glied 55

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Int. Az.: Case 1248 - 6 -

erzeugt Impulse 57 entsprechend den dessen Eingängen zugeführten Signalen.

Die Kurvenformen einer Synchronisierschaltung 90 mit einem-Flipflop 30 und einem UND-Glied 55 sind in Figur 2 dargestellt. Das Flipflop 30 wird betätigt, indem dessen Dateneingang das ausgewählte Auslösesignal bzw. Setzsignal zugeführt wird. Im gesetzten Zustand erzeugt das Flipflop 30 das Zeitintervall signal 32 am Ausgang Q entsprechend der nächsten ansteigenden Flanke eines Pulses des ausgewählten Signales 25. Nachdem das ausgewählte Auslösesignal 35 vom Dateneingang entfernt wurde, wird das Zeitintervall signal 32 am Ausgang Q infolge der nächsten fallenden Flanke eines Impulses des ausgewählten Signales 25 beendet. Auf diese Weise handelt es sich bei den von dem UND-Glied 55 erzeugten Impulsen67 stets um ganze Taktimpulse, und das Steuersignal 32 wird mit den ganzen Taktimpulsen synchronisiert. Die Synchronisierschaltung 90 vermeidet daher eine Signal verzerrung bei der Messung der Dauer eines Zeitintervall signal es 32, welche durch verstümmelte Taktimpulse hervorgerufen würde. Synchronisierschaltungen dieser Art sind beispielsweise bekannt aus dem Aufsatz "Time Interval Averaging: Theory, Problems and Solutions", Hewlett-Packard Journal, Juni 1974 oder aus US-PS 3 631 343.

Mit dem UND-Glied 55 ist ein in Figur 1 dargestellter Ereigniszähler 60 verbunden zum Zählen einer Anzahl EC von Impulsen 57. Ein Zeitintervall zähl er 65 ist mit dem Ausgang Q des Flipflops 30 verbunden und zählt die Anzahl N der Zeitintervall signale 32. Eine Zeitinterval!-Meßeinrichtung 70 ist mit den Ausgängen Q und Q¹ des Flipflops 30 verbunden und mißt die Gesamtzeitdauer ^während welcher das Zeitintervall signal 32 auftritt. Geeignete Zeitintervall-Meßschaltungen sind beschrieben in dem vorgenannten Aufsatz in Hewlett-Packard Journal, Juni 1974 sowie in dem Aufsatz " Ovenless Oscillators will Resolve 20-Picoseconds Pulses", Electronics, 10. November 1977.

Eine Rechen-Steuereinrichtung 75 ist mit dem Ereigniszähler 60

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Int. Az.: Case 1248 - 7 - .

dem Zeitintervall zähl er 65 und der Zeitintervall-Meßeinrichtung 70 verbunden und nimmt die Werte EC, N und T auf. Die Rechen-Steuereinrichtung 75 ist weiterhin mit den Schaltern 10 und 40 verbunden zur Steuerung des nachfolgend beschriebenen Betriebs. Zur Berechnung eines systematischen Fehlers &T, der bei der Messung der Zeitdauer jedes Zeitintervall signal es 32 auftritt, bewirkt das Rechen-Steuergerät 75, daß der Wählschalter 10 das Frequenzreferenzsignal 15 wählt und das ausgewählte Signal 25 dem Flipflop 30 und dem UND-Glied 55 zuführt. Nach Abschluß einer Messung, also nach einer vorbestimmten Zeitspanne, erhält das Rechen-Steuergerät 75 Signale, die den Werten EC, N bzw. T entsprechendem Ereigniszähler 60, dem Zeitintervall zähl er 65 bzw. der Zeitintervall-Meßeinrichtung 70. Da die Frequenz f _ des Referenzfrequenzsignal es 20 bekannt ist, ergibt sich der systematische Zähl erΔΤ bei der Messung der Dauer eines Zeitintervallsignales 32 als Differenz zwischen der Zeit T und dem Quotienten der Zahl EC geteilt durch die Frequenz f _f, geteilt durch den Wert N. Es gilt die Gleichung

AT-EC/f_REF

T =

Eine Messung einer Frequenz f.., des Eingangssignales 20 wird nachfolgend bewirkt, indem das Rechen-Steuergerät 75 veranlaßt, daß der Umschalter 10 das Eingangssignal 20 auswählt und dieses ausgewählte Signal 25 den Flipflop 30 und dem UND-Glied 55 zuführt. Die Frequenz fjt, des Eingangssignales 20 wird dann berechnet, indem der Wert EC durch die Differenz zwischen dem Wert für das Zeitintervall T und dem Produkt aus dem Wert N und dem systematischen Fehler ΔΤ berechnet wird. Es ergibt sich die Gleichung

f - ^EC

IN T-(N- ΔΤ) .

Eine Ausführungsform des Rechen-Steuergeräts 75 ist in Figur 3 schematisch dargestellt. Ein Zustandswähler 100 wählt erste und zweite Betriebszustände entsprechend der Berechnung des systematischen Fehlers ΔΤ und der Messung der Frequenz f,.,. Im ersten Betriebszustand bewirkt der Zustandswähler 100, daß Schalter 105, 110

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Int. Az.: Case 1248 - 8 -

115 die Werte EC, N und T an Teiler 120 und 140 bzw. eine Subtrahierschaltung 130 übertragen, und zwar zeitlich abgestimmt mit der Auswahl des Referenzfrequenzsignal es 15 durch den Schalter 10. Ein Wert der Referenzfrequenz f wird in einem Speicher 125 gespeichert und der Teilerschaltung 120 zum Teilen des Wertes EC durch die Frequenz f_REP zugeführt. Der sich ergebende Quotient wird in der Subtrahierschaltung 130 von dem Wert T abgezogen, so daß ein Differenzsignal erzeugt wird. Dieses wird durch den Wert N in einer Teilerschaltung 140 zur Abgabe eines Quotientensignal es dividiert. Das Quotientensignal von der Teilerschaltung 140 wird in einem Speicher 145 gespeichert und stellt den systematischen Fehler &T dar.

Der Zustandszähler 100 wählt nachfolgend den zweiten Betriebszustand und bewirkt, daß die Schalter 105, 110 und 115 die Werte EC, N und T einer Teilerschaltung 116, einer Multiplizierschaltung 150 bzw. einer Subtrahierschaltung 155 zuführen, zeitlich abgestimmt mit der Auswahl des Eingangssignales 20 durch den Schalter 10. Der Wert N wird mit dem systematischen Fehler AT in der Multiplizierschaltung 150 multipliziert, und das resultierende Produkt wird von dem Wert T durch die Subtraktionsschaltung 155 abgezogen zur Erzeugung eines Differenzsignales.

Der Wert EC wird durch das Differenzsignal von der Subtrahierschaltung 155 durch eine Teilerschaltung 160 geteilt, um ein Anzeigesignal zu erhalten, das repräsentativ für die Eingangsfrequenz f^ ist. Das Anzeigesignal wird einer Anzeigeeinrichtung 86 zugeführt, um eine visuelle Anzeige des Wertes der Eingangsfrequenz f_JN zu erhalten.

Eine andere Ausführungsform des Rechner-Steuergeräts 75 wird durch einen Mikroprozessor unter der Steuerung eines Programms entsprechend den vorgenannten logischen Verknüpfungen realisiert.

Entsprechend liegt es im Rahmen der Erfindung, die Funktion des Zeitintervall Zählers 65 durch ein Programm dem Rechen-Steuergerät 75 zu realisieren. Bei dieser Ausführungsform wählt der Schalter 40 das interne Steuersignal bzw. Zeitintervall signal 50, welches durch das Rechen-Steuergerät 75 erzeugt wird. Es wird eine Anzahl von internen Steuersignalen 50 erzeugt und bei den Berechnungen des systematischen Fehlers ΔΤ und der Eingangsfrequenz f j... verwendet. Auch kann eine

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Int. Az.: Case 1248 - 3 -

Messung beendet werden beim Erzeugen der vorgewählten Anzahl von Steuersignalen 50, statt beim Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne. Dieses Verfahren wird jedoch nicht vorgezogen beim Zählen von Hochfrequenzsignalen, wie sie beispielsweise für Radaranwendungen in kurzen Bereichen verwendet werden, da ein durch Software realisierter Zähler vergleichsweise langsamer ist.

Anstelle der Synchronisierschaltung 90 könnte eine Synehronisierschaltung gemäß Seite 8 der Application Note 162-1 von Hewlett-Packard verwendet werden. Jedoch wird die Verwendung der Synehronisierschaltung 90 oder einer entsprechenden Schaltung gemäß dem vorgenannten US-Patent 3 631 343 vorgezogen, da eine solche Synehronisierschaltung Fehler durch Signalverschiebungen ("bias") verhindert.

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, -AO-.

Leerseite

Claims

PATENTANWALT -■-.". D-7261 Gechingen/Bergwald Lindenstr. 16 DIPL.-1NG. KNUD SCHULTE Te|efon: (07056) 1367 Rätentanwalt K. Schulte, Lindenstr. 16, D-7261 Gechingen Hewlett-Packard Company Int. Az.: Case 1248 21. November 1978 P AT ENT-ANSPROCHE

1./ Verfahren zum Messen des Mittelwertes einer Frequenz, mit welcher Ereignisse in einer Signalfolge auftreten, bei welchem ein erstes Hilfssignal erzeugt wird, welches einer unbekannten Anzahl von Ereignissen entspricht, die während einer Anzahl von ausgewählten Zeitintervall en auftreten,

ein zweites Hilfssignal abgeleitet wird, welches der Gesamtdauer dieser Zeitintervalle entspricht und

aus den ersten und zweiten Hilfssignalen ein dem Quotienten der unbekannten Anzahl von Ereignissen und der Gesamtdauer der Zeitintervalle entsprechendes Ausgangssignal als Maß für den gesuchten Frequenzmittelwert abgeleitet wird, dadurch g e k e η η ζ eich-η et , daß eine Referenzsignal folge aus sich mit bekannter Frequenz (f_r ψ) wiederholenden Ereignissen erzeugt wird, ein drittes Hilfssignal erzeugt wird, welches der Anzahl (EC) der während einer ausgewählten Anzahl von Referenzzeitintervallen auftretenden Referenzereignisse dieser Referenzsignal folge entspricht, ein viertes Hilfssignal erzeugt wird, welches der Anzahl (N) der Referenzzeitintervalle entspricht,
ein fünftes Hilfssignal erzeugt wird, welches der Gesamtdauer der ReferenzzeTtintervalle (T) entspricht,

ein sechstes Hilfssignal erzeugt wird, welches dem bei der Messung der Dauer eines Referenzzeitintervalles auftretenden systematischen Fehler (ΔΤ) entspricht,
ein siebentes Hilfssignal erzeugt wird, welches der Anzahl der ausgewählten Zeitintervalle entspricht,

ein achtes Hilfssignal aus den vierten, sechsten und siebenten Hilfs-

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Hewlett-Packard Company
Int. Az.: Case 1248

Signalen erzeugt wird, welches der Differenz aus der Gesamtdauer der Referenzzeitintervalle einerseits und dem Produkt des systematischen Fehlers und der Anzahl der ausgewählten Zeitintervalle andererseits entspricht, und

das dem gesuchten Frequenzmittelwert entsprechende Ausgangssignal abgeleitet wird aus den ersten und achten Hilfssignalen als Quotient der Anzahl der in den ausgewählten Zeitintervallen auftretenden Ereignisse (EC) und des vorgenannten Differenzwertes.

2. Schaltungsanordnung zum Messen des Mittelwertes einer Frequenz gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzsignal quelle vorgesehen ist zur Abgabe der Folge von Referenzsignalen (15),

eine Wähleinrichtung (10) einen Ausgang, einen ersten, mit der Referenzsignal quelle verbundenen Eingang und einen zweiten Eingang für die Signal folge unbekannter Frequenz aufweist, eine Auslöseeinrichtung (30) Steuersignale (32) abgibt, die jeweils ein auslösendes und ein beendendes Ereignis aufweisen, ein Logikglied (55) einen ersten, mit der Wähleinrichtung verbundenen Eingang und einen zweiten mit der Auslöseeinrichtung verbundenen Eingang aufweist und Signale (57) abgibt, die den Signalen entsprechen, welche von der Wähleinrichtung während der Zeitintervalle auftreten, welche durch die auslösenden und die beendenden Ereignisse begrenzt sind,
ein Ereigniszähler (60) mit dem Logikglied verbunden ist und entsprechend der Betätigung der Wähleinrichtung die ersten oder dritten Hilfssignale (EC) erzeugt,

eine Zeitintervallmeßeinrichtung (70) mit der Auslöseeinrichtung verbunden ist und zweite und vierte Hilfssignale (T) abgibt, welche der Gesamtzeitdauer zwischen den auslösenden und beendenden Ereignissen während des Auftretens der Referenzsignale oder der Meßsignale entsprechen,

eine Zähleinrichtung (65) die vierten und sechsten Hilfssignale (N) erzeugt und
eine Rechenschaltung (75) mit der Wähleinrichtung, dem Ereigniszähler, der Zeitintervallmeßeinrichtung und der Zähleinrichtung

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Int. Az.: Case 1248 - g -

verbunden ist zur Abgabe des sechsten Hilfssignales (AT) und des dem gesuchten Frequenzmittelwert entsprechenden Ausgangssignales.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Auslöseeinrichtung (30) mit der

Wähleinrichtung (10) verbunden ist und entsprechend der Auswahl der Meßsignale (f,-_n) oder der Referenzsignale (f_ref) Zeitintervall signale (T) abgibt.

4, Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e kennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung (30) mit der Wähleinrichtung verbunden ist und die Zeitintervallsignale mit den durch die Wähleinrichtung ausgewählten Signalen synchronisiert.

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