DE2853110C2

DE2853110C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum digitalen Messen des Mittelwertes einer Signalfrequenz

Info

Publication number: DE2853110C2
Application number: DE2853110A
Authority: DE
Inventors: James L. Saratoga Calif. Sorden
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1977-12-19
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1983-08-04
Also published as: DE2853110A1; SE7812973L; US4150432A; GB2010617B; JPS5496278U; GB2010617A; JPS5939651Y2; HK19986A

Description

a) Es wird zunächst als Eingangssignal (25) der Meßeinrichtung ein Referenzsignal (15) mit einer bekannten Referenzfrequenz (/„/) zugeführt,

b) es werden die Anzahl (EC_n^ der während mehrerer Zählzeitintervalle (32) auftretenden Perioden des Referenzsignales sowie die Anzahl (7V_re/) und die Gesamtdauer (Τ_ηΐ) der genannten Zählzeitintervalle gemessen,

c) es wird aus den vorgenannten Meßwerten und dem bekannten Wert der Referenzfrequenz (frcff ein Korrektursignal für den systembedingten, bei der Messung jedes Zeitintervalles auftretenden Fehler (Δ T) abgeleitet gemäß der Formel

AT

30

d)

dann wird die Arzahl (N) der Meßzählzeitintervalle, die Gesamtzahl (Γ€) der Meßsignalperioden und die Gesamtdauer (T)der Meßzählzeit-Intervalle gemessen, und

e) es wird aus diesen Meßwerten sowie dem gemäß den Verfahrensschritten a bis c abgeleiteten Korrektursignal das digitale Ausgangssignal (fi„) über den Frequenzmittelwert abgelei- -to tet gemäß der Formel

r EC

■"" T-N-AT

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Synchronisiereinrichtung und mit einer von Tastimpulsen gesteuerten Torschaltung, an der eingangsseitig das zu messende Meßsignal zuführbar ist, welches während ^o der Dauer jeweils mehrerer Tastimpulse am Ausgang der Torschaltung auftritt, und mit Zähl- und Recheneinrichtungen zur Bestimmung des Mittelwerts der Frequenz des zu messenden Meßsignales, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten der beiden Eingänge der Torschaltung (55) eine Umschalteinrichtung (10) vorgeschaltet ist, über die wahlweise entweder Meßsignale (20) oder Referenzsignale (15) bekannter Folgefrequenz zuführbar sind und deren zweitem Eingang Zählzeitintervalle schaffende Tast= «) impulse zuführbar sind, die Torschaltung mit einem Ereigniszähler (60) verbunden ist, der Meßwerte (EC, ECref) erzeugt, die der Anzahl der während der Dauer der Zählzeitintervalle auftretenden Perioden bzw. Impulse des Meßsignals oder des Referenzsi- f" gnals entsprechen, der zweite Eingang der Torschaltung einerseits mit einem Intervallzähler (65) verbunden ist, der aus den Tastimpulsen für die Torschaltung (55) die Meßwerte (N, N_n^ über die Anzahl der Zählzeitintervalle erzeugt, und der zweite Eingang der Torschaltung andererseits mit einer Zeitintervallmeßeinrichtung (70) verbunden ist, welche die Meßwerte (T, Τ«/) über die Gesamtdauer der Zählzeitintervalle ableitet und eine Recheneinrichtung (75) mit den Zählern und der Zeitintervallmeßeinrichtung verbunden ist und das Ausgangssignal über den Frequenzmittelwert abgibu

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flipflop (30) zur Synchronisation der Tastimpulse für die Torschaltung mit den Meßsignalen oder den Referenzsignalen vorgesehen ist, das einen mit der Schalteinrichtung (10) verbundenen Takteingang, einen Dateneingang für die nicht synchronisierten Tastimpulse (35), einen mit dem zweiten Eingang der Torschaltung (55) verbundenen Ausgang (Q) zur Abgabe der synchronisierten Tastimpulse (32) sowie einen mit der Intervallmeßeinrichtung (70) verbundenen zweiten Ausgang (Q) aufweist.

Die brfindung betrifft ein Verfahren zum digitalen Messen des Mittelwerts der Frequenz von Meßsignalen während einer Anzahl von Meßzeitintervallen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Frequenzmeßverfahren dieser Gattung, bei denen die Frequenz bestimmter Abschnitte von Signalverläufen in mehreren aufeinanderfolgenden Zeitintervallen gemessen wird, dienen zur Erhöhung des Auflösungsvermöepns und sind beispielsweise bekannt aus US-PS J6 09 326 oder den Aufsätzen »A New Generation in Frequency and Times Measurements« und »Time Interval Averaging: Theory. Problems and Solutions«, Hewlett-Packard Journal, Juni \?ΙΛ. Die zu messenden Signale werden während einer bestimmten Anzahl von Zeitintervallen einem Zähler, zugeführt, und synchron mit diesem Zähler wird eine Zählschaltung zum Messen des Gesamtzeitintervalles betätigt. Die Anzahl der durch diesen Zähler gezählten Signale geteilt durch den derart gemessenen Wert der Gesamtdauer der Zeitintervalle ergibt näherungsweise den gesuchten Frequenzmittelwert der untersuchten Signale.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß bei der Messung jedes Zeitintervalles wegen Fehlanpassungen der Start- und der Stoppfunktionen der Schaltung zum Messen des Gesamtzeitintervalles beim Messen jedes Zeitintervalles ein systembedingter Fehler auftritt. Dieser macht sich insbesondere bemerkbar bei Frequenzmessungen, die über relativ kurze Zeitintervalle erstreckt werden.

Aus der GB-PS 12 83 728 ist eine automatische Zähleinrichtung bekannt, mit der eine digitale Frequenzmessung durchführbar ist. Bei diesem bekannten Frequenzzähler wird das zu messende Signal einer Torschaltung zugeführt, die während eines Zeitintervalls geöffnet wird. Die .während des Zeitintervalls auftretenden Impulse des zu messenden Signals werden in einer Zähleinrichtung aufsummiert. Aus der Dauer des Zeitintervalls und der Summe der auftretenden Impulse wird die gesuchte Frequenz berechnet. Auch bei dieser bekannten Meßeinrichtung ist das Zeitintervall mit einem durch die Schaltungsanordnung hervorgerufenen, systembedingten Zeitfehler behaftet, der bei

der Berechnung der gesuchten Frequenz das Ergebnis verfälscht Ein derartiger Fehler kann beispielsweise durch unterschiedliche Laufzeiten bzw. Verzögerungszeiten im Bereich der Anstiegsflanke und der Rückflanke des Torzeitintervalles auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum digitalen Messen des Mittelwerts der Fi-equenz von Meßsignalen anzugeben, bei dem der bei der Messung jedes einzelnen Zeitintervalles auftretende systembedingte Fehler festgestellt und im Meßergebnis berücksichtigt werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich aus dem Anspruch 3.

Der Grundgedanke der Erfindung beruht somit darauf, daß zunächst mittels Referenzsignalen mit einer bekannten Referenzfrequenz der systembedingte, bei der Messung jedes einzelnen Zeitintervalles auftretende Fehler ermittelt wird, und dann der Meßwert für die Gesamtdauer der Meßzeitintervalle korrigiert wird entsprechend dem Produkt aus dem somit vorher bestimmten systembedingten Fehlersignal und der Anzahl der MeBzeitinterviille.

Vorzugsweise kai· η gemäß Anspruch 3 mittels einer an sich vorbekannten Synehronisierschaltung sichergestellt werden, daß nur ganze Signalimpulse gezählt werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhaWl der Zeichnungen erläutert; es stellt dar

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Messen des Mittelwertes einer Frequenz,

F i g. 2 schematisch den Signalverlauf in einem Synchronisierschaltkreis der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

F i g. 3 ein Blockschaltbild eines Rechen-Steuergeräts in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1,

Fig.4 ein Blockschaltbild einer Torschaltung als Alternative zu der Synchronisierschaltung in der Schaltungsar Ordnung nach Fig. 1.

Gemäß F i g. 1 wird durch eine Umschalteinrichtung 10 entweder ein Referenzfrequenzsignal 15 oder ein Meßsignal 20 als Eingangssignal 25 einem Takteingang eines Flipflops 30 zugeführt. Ein Dateneingang des Flipflops 30 erhält Tasti.Tipulse 35, welche mittels einer Schalteinrichtung 40 entweder als .externe Tastimpulse 45 oder als interne Tastimpulse 50 einstellbar sind. Das Flipflop 30 wird durch das (externe oder interne) Taslsignal 35 an dessen Dateneingang aufgetastet. Durch die nächste steigende Flanke eines Impulses des Eingangssignales 25 wird das Flipflop 30 gesetzt und dadurch eine steigende Flanke eines Zeitintervallsignales 32 erzeugt. Nach Entfernung des Auftastsignales 35 vom Dateneingang wird das Zeitintervallsignal 32 am Ausgang Q bei tier nächsten fallenden Flanke eines Impulses des Eingangssignales 25 beendet. Das Eingangssignal 25 und das Zeitintervallsignal 32 vom Ausgang Qdes Flipflops 30 werden ersten bzw. zweiten Eingängen eines UND-Gliedes 55 zugeführt, welches Impulse 57 abgibt. Das UND-Glied 55 und das Flipflop 30 bilden eine Synehronisierschaltung 90. deren Signal verlaufe in Fig. 2 dargestellt sind. Das UND-Glied liefert also stets ganze Zählimpulse 57, die mit dem Zeitintervallsignal 32 synchronisiert sind. Die Synehronisierschaltung 90 vermeidet somit eine Signalverzerrung, die sich bei der Messung des Zeitintervalle·* zwischen aufeinanderfolgenden steigenden und fallen den Flanken des Signales 32 durch verstümmelte

Zählimpulse ergäbe.

Mit dem UND-Glied 55 ist ein Ereigniszähler 60 verbunden ium Zählen der Anzahl EC bzw. EC_nT der Impulse 57. Ein Zeitintervallzähler 65 ist mit dem Ausgang Q des Flipflops 30 verbunden und zählt die Anzahl iV der Zeitintervallsjgnale 32. Eine Zeitintervallmeßeinrichtung 70 ist mit den Ausgängen Q und <?'des Flipflops 30 verbunden und mißt (näherungsweise) die Gesamtzeitdauer T, während welcher Zeitintervallsignale 32 auftreten, z. B. durch Auszählen von Taktimpulsen einer hohen, konstanten Folgefrequenz während des Vorhandenseins der das Signal 32 bildenden Impulse.

Eine Rechensteuereinrichtung 72 ist mit dem Ereigniszähler 60, dem Zeitintervallzähler 65 und der Zeitintervallmeßeinrichtung 70 verbunden und nimmt die Werte EC, /V und Tauf. Die Rechensteuereinrichtung 75 steuert die Schalteinrichtungen 10 und 40 für den nachfolgend beschriebenen Betrieb:

Zur Berechnung des systembedingten Fehlers Δ Τ, der bei der Mejsung der Zeitdauer jedes Zeitintervallsignales 32 auftritt, bewirkt die Rechen-S'-.^ereinrichtung 75, daß die Umschaiteinrichtung i0 das Frequenz-Referenzsignal 15 als Eingangssignal 25 dem Flipflop 30 und dem UND-Glied 55 zuführt. Nach Abschluß einer Messung, also nach einer vorbestimmten Zeitspanne, erhält <f:e Rechen-Steuereinrichtung vom Ereigniszähler 60, dem Zeitintervallzähler 65 bzw. der Zeitintervalimeßeinrichtung 70 Signale, die den Werten EC_rcf, Mrf bzw. Trc/entsprechen. Die Frequenz /_re/des Referenzfrequenzsignales 20 ist bekannt, und der systembedingte Fehler ΔΤ bei der Messung der Dauer eines Zeitintervallsignales 32 ergibt sich als Differenz zwischen dem Gesamt-Zeitintervall T_rcr und dem Quotienten der Anzahl EC_n! der Perioden des Referenzsignales und der Frequenz /„/·, geteilt durch die Anzahl /V_ref der Zählzeitintervalle:

f ~ ECnf I f

ref

M "ref

Zur Messung einer Frequenz f_m des Meßsignales 20 schaltet die Umschalteinrichtung 10 das Meßsignal 20 zum Flipflop 30 und_zum UND-Glied 55 durch. Die gemittelte Frequenz Tj_n dieses Meßsignales 20 wird dann berechnet, indem der Wert EC durch die Differenz zwischen dem Wert T und dem Produkt aus dem Wert JV und dem systembedingten Fehler Δ Τ berechnet wird entsprechend der Gleichung:

EC

T- {N ■ Λ T)

Anhand eines Berecbnungsbeispiels soll nachfolgend die Erfindung verdeutlicht werden:

Es wird der Einfachheit halber angenommen, daß das in F i g. 2 dargestellte Zeitintervallsignal 32 im Bereich seiner Anstiegsflanke eine geringfügige Laufzeitverzögerung aufweist, wobei die Rückflanke mit der zugeordneten Anstiegsflanke des Eingangssignales 25 übereinstimmt. Das Zeitintervallsignal 32 ist somit um die Zeit ΔT kürzer als zwei Perioden des in Fig.2 dargestellten Eingangssignales 25. Der schaltungsbedingte oder systembedingte Fehler sei beispielsweise

Dieser Wert kann mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren dadurch ermittelt werden, daß als Eingangssignal 25 ein Referenzsignal mit einer bekannten Frequenz zugeführt wird. Diese Frequenz sei im

vorliegenden Beispiel /^=IOMHz. Das Flipflop 30 öffnet nun angenähert für die Dauer von zwei Perioden des Referenzsignales das als Torschaltung dienende UND-Glied 55.Tatsächlich wird das UND-Glied 55 nun während einer um die Zeit AT verkürzte Torzeit geöffnet, die der Impulsdauer des Signales 32 entspricht. Von der Intervallmeßeinrichtung 70 wird diese Impulsdauer, die die Dauer des Zählzeitintervalles T_rer charakterisiert, gemessen. Der gemessene Wert betrage '/•„.,= 1,9 · IO-⁷s.

Für ein Meßzählzeitintervall ergeben sich nun folgende Meßwerte:

Trcf= \.9 - 10-⁷S

Außerdem ist die Referenzfrequenz bekannt, so daß der Zeitfehler für ein Zeitintervall

A T= T_nf— ECreP'frcf

ilT=1.9 - 10-⁷ s-2/10MHz=10-⁸s

beträgt.

Werden nun mehrere Zeitintervalle berücksichtigt, so erhält man gemäß der vollständigen Formel für AT einen ermittelten Wert für den auftretenden Fehler. Dieser schaltungsbedingte Fehler tritt nun auch bei der Frequenzmessung eines unbekannten Signals auf. Mit der Gleichung für //„ kann dieser Fehler_ bei der Berechnung des Mittelwertes der Frequenz f,„ berücksichtigt werden.

Eine Ausführungsform der Rechen-Steuereinrichiung 72 ergibt sich aus der schematischen Darstellung von Fig. 3. Ein Zustandswähler 100 bestimmt einen ersten oder einen zweiten Betriebszustand je nachdem, ob der systembedingte Fehler AT oder die Frequenz //„ gemessen werden soll. Im ersten Betriebszustand bewirkt der Zustandswähler 100, daß Schalter iö5, iiO, 115 die Werte EC_n/. N_n/und T_n/an Teilerschaltungen 120 bzw. 140 bzw. eine Subtrahierschaltung 130 übertragen, wenn das Referenzfrequenzsignal 15 durch die Umschalteinrichtung 10 übertragen wird. Der Wert der Referenzfrequenz f_nf wird in einem Speicher 125 gespeichert und der Teilerschaltung 120 zum Teilen des Wertes EC-_ef durch die Frequenz f_TC/ zugeführt. Der sich ergebende Quotient wird in der Subtrahierschaltung 130 von dem Wert T_rci abgezogen, so daß ein Diffcrenzsignal erzeugt wird. Dieses wird durch den Wert N_n/ in einer Teilerschaltung 140 zur Abgabe eines Quotientensignales dividiert. Das Quotientensignal von der Teilerschal'ung 140 wird in einem Speicher 145 gespeichert und stellt den systembedingten Fehler ΔΤ dar.

Der Zustandszähler 100 bestimmt 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, wenn das Eingangssignal 20 durch die Umschalteinrichtung 10 durchgeschaltet wird. Der Wert N wird mit dem systembedingten Fehler ATm der Multiplizierschaltung 150 multipliziert. Das resultierende Produkt wird von dem Wert T durch die Subtraktionsschaltung 155 abgezogen zur Erzeugung eines Differenzsignales. Der Wert EC wird durch dieses Differenzsignal mittels einer

>i> Teilerschaltung 160 geteilt, um ein Anzeigesigna'' fur den Mittelwert der Eingangsfrequenz I_n zu erhalten. Das Anzeigesignal wird einem Sichtgerät 80 zugeführt, um eine visuelle Anzeige dieses Mittelwertes T,„ zu erhalten.

Die Rechensteuereinrichtung 72 kann natürlich auch durch einen Mikroprozessor unter der Steuerung eines Programms entsprechend den vorgenannten logischen Verknüofungen realisiert werden.

Geniäb Fig.4 könnte anstelle der Synchronisier-

jo schaltung 90 lediglich die Torschaltung 55 derart verwendet werden, daß dieser die Rechteckimpulse 35 direkt zugeführt werden zur Bestimmung der Zeitintervalle, in denen der Zähler 60 Zähiimpulse aufnimmt.
Entsprechend liegt es im Rahmen der Erfindung, die Funktion des Zeitintervallzählers 65, nämlich die Erhöhung des Zählerstandes entsprechend seinen Eingangsimpulsen, durch ein Programm in der Rechen-Steuereinrichtung 72 zu realisieren. Bei dieser Ausführungsform schaltet die Schalteinrichtung 40 das interne Steuersignal bzw. Zeitintervallsignal 50, welches durch die Rechen-Steuereinrichtung 75 erzeugt wird, zum Dateneingang des Flipflops.

Es versteht sich, daß eine Messung alternativ beendet werden kann beim Erzeugen der eingestellten Anzahl von Steuersignalen 50, statt beim Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum digitalen Messen des Mittelwertes der Frequenz von Meßsignalen während einer Anzahl von Meßzeitintervallen, bei welchem die Gesamtzahl der in diesen Meßzeitintervallen auftretenden Meßsignalperioden sowie die Gesamtdauer dieser Meßzeitintervalle von einer Meßeinrichtung gemessen werden und der gesuchte Mittelwert hieraus errechnet und angezeigt wird, gekennzeichnet durch die Kombination mit folgenden Verfahrensschritten: