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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich-
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tung zur Messung des Zeitabstandes zwischen jeweils zwei nacheinander
erscheinenden Zeitmarkierungssignalen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw.
11 gemäß Patentanmeldung P 28 42 450.2.
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Dieser älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung ist eine
elektronische Schaltung zur Messung des Zeitbstandes zwischen genau zwei Zeitmarkensignalen
entnehmbar, von denen das erste als Startsignal und das zweite als Stopsignal bezeichnet
werden.
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Diese beiden Signale können beliebigen Ursprungs sein und prinzipiell
eine beliebige Form aufweisen. Im vorliegenden Zusammenhang ist lediglich von Bedeutung,
daß für irgendwelche Meß- bzw. Auswertungszwecke der zeitliche Abstand zwischen
diesen beiden Signalen bzw. zwischen genau definierten Teilen dieser Signale möglichst
genau ausmessen werden soll, wobei sich früher insbesondere dann, wenn dieser Zeitabstand
relativ groß war, die Schwierigkeit ergab, daß keine Meßverfahren bzw. -vorrichtungen
zur Verfügung standen, die die erforderliche Dynamik besaßen, um solche langen Zeiträume
mit hohem Auflösungsvermögen und einer entsprechend hohen Genauigkeit auszumessen.
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Dieser Problematik wird gemäß der deutschen Patentanmeldung P 28 42
450.2 dadurch abgeholfen, daß das erste der beiden Zeitmarkensignale dazu verwendet
wird, einen auf Null gesetzten Zähler frei~zuschalten, der mit der nächsten steigenden
Impulsflanke eines rechtecksförmige Ausgangssignale liefernden, freilaufenden, quarzgesteuerten
Oszillators beginnt, diese Oszillatorimpulse abzuzählen. Wird dann zu einem beliebigen
späteren Zeitpunkt das zweite Zeitmarkensignal empfangen, so wird der Zähler nach
der nächsten steigenden
Impulsflanke des quarzgesteuerten Oszillators
angehalten und die durch Multiplikation des erreichten Zählerstandes mit dem Kehrwert
der sehr genau bekannten und mit relativ einfachen technischen Mitteln auch über
lange Zeiträume hinweg konstant zu haltenden Oszillatorfrequenz ermittelte Zeitspanne
liefert in erster Näherung einen Grobmeßwert für den interessierenden Zeitabstand.
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Um zu einem noch genaueren Meßergebnis zu gelangen, werden die beiden,
der Einfachheit halber als rechteckförmige Impulse angenommenen Zeitmarkensignale
einer Analogmeßschaltung zugeführt, die in einem ersten Meßkanal den zeitlichen
Abstand zwischen der Vorderflanke des früheren Zeitmarkensignals und der nächsten
auf diese Vorderflanke folgenden und den Beginn des Abzählens der Oszillatorschwingungen
startenden, steigenden Oszillatorimpulsflanke und in einem nahezu identisch aufgebauten
zweiten Kanal den Abstand der Vorderflanke des späteren Zeitmarkensignals zu der
hierauf folgenden, die Abzählung der Oszillatorimpulse beendenden, steigenden Oszillatorimpulsflanke
mißt, so daß durch vorzeichenrichtige Kombination dieser beiden Feinmeßwerte mit
dem Grobmeßwert insgesamt ein sehr genaues Maß für den Abstand der Vorderflanken
der beiden Zeitmarkensignale gewonnen werden kann.
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Nach der Erfassung dieser drei Zeitmeßwerte wird dann bei der Zeitmeßvorrichtung
gemäß der deutschen Patentanmeldung P 28 42 450.2 durch eine Ablaufsteuerung eine
ganze Reihe von weiteren Eich- und Korrekturschritten durchgeführt, die zur Verbesserung
der Meßgenauigkeit unter anderem auch die als "Nullablage" bezeichneten Laufzeitunterschiede
in den beiden getrennten Kanälen der Analogmeßschaltung erfassen und zu einer noch
genaueren Bestimmung des interessierenden Zeitabstandes mit auswerten.
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Bei der Konzeption dieser zum Stand der Technik gehörenden Zeitmeßanordnung
wurde davon ausgegangen, daß immer nur der Zeitabstand zwischen gen nacheinander
folgenden Zeitmarkensignalen gemessen werden soll, die überdies auf zwei getrennten
Leitungen erscheinen, so daß sie ohne weiteres in die beiden getrennten Kanäle der
Analogmeßschaltung eingespeist werden können.
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Nun treten aber sehr häufig Anwendungsfälle auf, bei denen nicht nur
zwei sondern eine ganze Reihe von Zeitmarkensignalen entweder auf cfetrennten oder
aber auch auf einer einzigen Leitung nacheinander erscheinen und entweder sämtliche
Zeitabstände aller unmittelbar aufeinanderfolgender Zeitmarkensignale und/oder beliebig
herausgegriffener Paare von Zeitmarkensignalen von Interesse sind. Zur Bewältigung
derartiger Meß- und Auswerteaufgaben ist die oben beschriebene, der deutschen Patentanmeldung
P 28 42 450.2 entnehmbare Zeitmeßanordnung nicht geeignet.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu sch;iffen, die es mit einem möglichst
geringen technischen Aufwand ermöglichen, eine beliebige Anzahl von Zeitabständen
zwischen beliebig herausgegriffenen Zeitmarkensignale einer ganzen Reihe von derartigen
Signalen mit hoher Genauigkeit und großem Auflösungsvermögen zu messen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die in den Ansprüchen
1 (Verfahren) und 11 (Vorrichtung) niedergelegten Merkmale vor.
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Gemäß der Erfindung ist also für den allgemeinsten Fall vorgesehen,
daß die Abzählung der Schwingungsperioden des freilaufenden Oszillators beim Auftreten
des ersten Zeitmarkensignals
der auszumessenden Signalreihe bereits
läuft.
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Zwar kann mit dieser Abzählung auch hier erst unmittelbar nach dem
Auftreten des ersten Zeitmarkensignals der auszumessenden Reihe beispielsweise mit
einem der hierauf folgenden Nulldurchgänge der Oszillatorschwingung begonnen werden,
wobei dann die Ana]ogmeßschaltung die zugehörige Feinzeitmessung bis zu diesem Nulldurchgang
durchführen muß, doch stellt dies lediglich den spätest möglichen Zeitpunkt dar
und es ist ohne weiteres möglich, mit der Zählung der Oszillatorimpulse bereits
bei einem der auszumessenden Zeitmarkenreihe vorausgehendei und mit dieser Reihe
ansonsten zeitlich nicht korrelierten Vorbereitungssignal zu beginnen. Allerdings
ist dabei zu beachten, daß die von der zeitlichen Länge der auszumessenden Impulsreihe
abhängende Zählkapazität des die Oszillatorschwingungen abzählenden Zählers um so
größer sein muß, je früher mit der Zählung vor dem ersten Zeitmarkensignal begonnen
wird.
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Auch ist es gemäß der Erfindung nicht mehr erforderlich, daß der Zähler
zu Beginn der Zählung der Oszillatorschwingungen auf einem bestimmten Zählerstand
insbesondere auf dem Zählerstand Null gebracht worden ist, obwohl letzteres für
eine optimale Ausnutzung der vorhandenen Zählerkapazität von Vorteil ist.
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Gemäß der Erfindung wird dann die Abzählung der Oszillatorschwingungen
nicht wie bei der Vorrichtung gemäß der deutschen Patentanmeldung P 28 42 450.2
nach dem Erscheinen des zweiten Zeitmarkensignals abgebrochen sondern es wird lediglich
zu diesem Zeitpunkt der momentan erreichte Zählerstand ausgelesen und zwischengespeichert,
ohne daß dadurch die weiterlaufende Zählung in irgendeiner Weise beeinflußt wird.
Dieser Auslese- und Zwischenspeichervorgang wird bei jedem weiteren Zeitmarkensignal
wiederholt,
so daß am Ende der Signalreihe eine Vielzahl von Zählerständen
zur Verfügung steht, von denen jeder einem bestimmte Zeitmarkensignal zugeordnet
ist.
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Interessiert nun der Zeitabstand zwischen zwei beliebig herausgegriffenen
Zeitmarkensignalen, so genügt es zur Gewinnung des Grobmeßwertes die beiden zugehörigen
Zählerstände von.lnander zu subtrahieren und die Differenz mit dem Kehrwert der
sehr genau bekannten Schwingungs- bzw.
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Impulsfolgefrequenz des vorzugsweise quarzgesteuerten Oszillators
zu multiplizieren.
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Da es gemäß der Erfindung ohne weiteres möglich ist, die Zählerstände
sämtlicher Zeitmarkensignale in der eben beschriebenen Weise zu verarbeiten, können
die Grobmeßwerte der Zeitabstände beispielsweise auch sämtlicher unmittelbar aufeinanderfolgender
Zeitmarkensignale berechnet werden.
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Parallel zu der eben geschilderten Auslesung, Speicherung und Verarbeitung
der Zählerstände zu Grobmeßwerten wird auch für jedes Zeitmarkensignal der zugehörige
Feinmeßwert, d.h. der zeitliche Abstand beispielweise der Vorderflanke dieses Signals
bis zum Ende der Oszillatorschwingung ausgemessen, nach der der zugehörige Zählerstand
ausgelesen wird.
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Erhält man also z.B. für dasyl-te Zeitmarkensignal den Zählerstand
n µ und den Feinmeßwert dt und für das unmittelbar darauf folgende (µ + 1)-te Zeitmarkensignal
die entsprechenden Werte n + 1 und # t µ + 1, so gilt für den Grobmeßwert, wenn
# die Periodendauer des Oszillators ist: dT f P + 1 G = (n µ + 1 - n µ) # (1) und
für den exakten Zeitabstand dieser beiden Zeitmarkensignale
#T
µ, µ + 1 = #T µ, µ + 1 G+#t µ - #t µ + 1 (2) Entsprechend gilt für den Zeitabstand
zwischen dem (/u + 1)-ten und dem (/u + 2)-ten Zeitmarkensignal: AT/u + 1, /u +
2 = #T µ+1, µ+2 G+ #t µ+1 - #t µ+2 (3) Für den Abstand zwischen dem ersten und dem
letzten der drei eben genannten Zeitmarkensignale folgt aus den Gleichungen (2)
und (3) #T µ, µ+2 = #T µ+1, µ+2 G + #t µ -- #t µ+1 + #t µ+1 - #t µ+2 (4) man Aus
Gleichung (4) entnimmt unmittelbar, daß die exakten Zeitabstände unmittelbar aufeinanderfolgender
Zeitmarkensignale gemäß der Erfindung zur Bildung der Zeitabstände weiter auseinander
liegender Zeitmarkensignale addiert werden können, ohne daß sich hierbei die im
wesentlichen in den Feinzeitmeßwerten #t µ enthaltenen Meßfehler aufsummieren, was
darauf zurückzuführen ist, daß aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens der Endpunkt
einer jeden vorausgehenden Zeitabstandsmessung exakt mit dem Anfangspunkt der nachfolgenden
Zeitabstandsmessung zusammenfällt.
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Anderes ausgedrückt erhält man auch dann, wenn man mehrere Zeitabstandmeßwerte
sümmiert,für den sich aus diesen einzelnen Summanden zusammensetzenden Gesamtzeitabstand
exakt denselben
Grobmeßwert wie man ihn auch durch Differenzbildung
zwischen den Zählwerten erhalten würde, die dem den aufsummierten Zeitraum einleitenden
bzw. abschließenden Zeitmarkensignal zugeordnet sind; zu diesem Grobmeßwert treten
dann noch die beiden zu den eben genannten Zeitmarkensignalen gehörenden Feinmeßwerte
in der eben beschriebenen Weise hinzu.
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Bevorzugterweise erfolgen die Analogmessungen zur Gewinnung dieser
Feinmeßwerte mit Hilfe von Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen, die nach Triggerung
durch ein Start-Signal ein in seiner Amplitude mit der Zeit stetig und monoton anwachsendes
und somit ein Maß für die seit dem Start-Signal verstrichene Zeit bildendes analoges
Ausgangssignal liefern.
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Bei einer solchen Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung handelt es sich
im wesentlichen um einen zunächst im entladenen Zustand gehaltenen Kondensator,
der beginnend mit dem der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung zugeführten Start-Signal
vermittels einer Konstantstromquelle solange aufgeladen wird, bis ein entsprechendes
Stop-Signal den Auf ladevorgang beendet. Da die am Kondensator abfallende Spannung
nach einer kurzen nichtlinearen Anlaufphase mit der Zeit linear ansteigt, stellt
der am Ende des Meßvorganges erhaltene Wert dieser Spannung ein gutes Analogmaß
für die zwischen Start- und Stop-Signal verstrichene Zeit dar.
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Gemäß dem Stand der Technik wird jedes der beiden Zeitmarkensignale,
deren Abstand bestimmt werden soll, in der Analogmeßschaltung einem eigenen Meßkanal
zugeführt, der jeweils eine gesonderte Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung zur Bestimmung
des zu dem betreffenden Zeitmarkensignal gehdrenden Feinmeßwertes enthält. Obwohl
nun bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Regelfall die Zeitabstände nicht nur
von
zwei sondern einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitmarkensignalen
ausgemessen werden sollen, ist bei einer besonders bevorzugten Variante dieses Verfahrens
vorgesehen, daß die Analogmessungen für die Gewinnung der Feinmeßwerte sämtlicher
Zeitmarkensignale mit ein und derselben Zeit/ Amplituden-Wandlerschaltung durchgeführt
werden. Die Analogmeßschaltung umfaßt also nur noch einen einzigen Meßkanal, in
den sämtliche der Reihe nach erscheinenden Zeitmarkensignale eingespeist werden.
Dies hat neben einer erheblichen Verringerung des für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Zeitmeßverfahrens erforderlichen schaltungstechnischen Aufwandes den Vorteil, daß
die gemäß dem Stand der Technik zur Bestimmung der Laufzeitunterschiede und der
unterschiedlichen Meßcharakteristiken der beiden verschiedenen Meßkanäle erforderlichen
Vergleichsmessungen entfallen können. Es wird also der zur Bestimmung der einzelnen
Zeitabstände erforderliche Meß- und Verarbeitungsaufwand erheblich verringert, so
daß das erfindungsgemäße Verfahren auch in solchen Fällen anwendbar ist, in denen
die einzelnen Zeitmarkensignale sehr rasch aufeinander folgen.
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Es ist besonders günstig, wenn die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
jeweils durch das betreffende Zeitmarkensignal gestartet, durch einen hierauf folgenden
Nulldurchgang an der Oszillatorschwingung gehalten und nach Speicherung der so gewonnenen
Ausgangsamplitude als Feinmeßwert zurückgesetzt wird und wenn der nach diesem Nulldurchgang
erhaltene Zählwert zur Bestimmung des Grobmeßwertes herangezogen wird. Werden die
zwischen zwei Zeitmarkensignalen liegenden Oszillatorperioden durch Abzählung der
in diesem Zeitraum auftretenden Oszillator-Halbperioden erfaßt, so ist vorzugsweise
vorgesehen, daß zum Anhalten der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung der erste nach
dem jeweiligen Zeitmarkensignal auftretende Nulldurchgang der Oszillatoischwingung
Verwendung
findet.
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Werden dagegen nur ganze Oszillatorperinden abgezählt, so ist vorgesehen,
daß zum Anhalten der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung der erste nach dem jeweiligen
Meßfühlersignal auftretende, in vorgegebener Richtung erfolgende Nulldurchgang der
Oszillatorschwingung Verwendung findet.
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Da die üblichen Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen über längere Zeiten
hinweg Drifterscheinungen aufweisen können, wobei sich die jeweils innerhalb bestimmter
Zeitspannen nach dem Start-Signal erreichte Ausgangsamplitude ändert, ist gemäß
einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäsen Verfahrens vorgesehen,
daß die Zeit/-Amplituden-Wandlerschaltung zwischen den Zeitabstandsmessungen immer
wieder dadurch nachgeeicht wird, daß sie durch einen Nulldurchgang der Oszillatorschwingung
gestartet und durch einen nachfolgenden Nulldurchgang der Oszillatorschwingung angehalten
wird, und daß der so erhaltene Eichmeßwert der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
mit dem zwischen diesen beiden Nulldurchgängen der Oszillatorschwingungen liegenden
Zeitraum verglichen wird.
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Dadurch, daß die im allgemeinen die Langzeitkonstanz eines Quarzes
besitzende Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung mit Hilfe des Quarzes ständig nachgeeicht
wird, erhält das gesamte Zeitmeßverfahren dieselbe Genauigkeit und Langzeitkonstanz
wie der Qu(lrz, ohne daß an die übrigen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in dieser Hinsicht irgendwelche besonderen Forderungen gestellt werden müßten. Da
auch über sehr lange Zeit hinweg sehr genau schwingende Quarze kostengünstig zur
Verfügung stehen, liefert das erfindungsgemäße Verfahren eine außerordentlich preiswerte
und dennoch extrem genau arbeitende Zeitmeßvorrichtung.
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Wie bereits erwähnt, weisen die üblichen Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen
überdies die Eigenschaft auf, daß die Amplitude jedes Ausgangssignals erst nach
einer gewissen Anlaufzeit nach jedem Start-Signal linear mit der Zeit anwächst,
während unmittelbar nach dem Start-Signal eine mehr oder weniger starke Nichtlinearität
vorhanden ist.
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Da der freilaufende Oszillator mit den Zeitmarkensignalen in keiner
Weise synchronisiert ist, ist es ohne weiteres möglich, daß zwischen dem die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
startenden Zeitmarkensignal und dem nächsten, zum Anhalten verwendeten Nulldurchgang
der Oszillatorschwingung ein so kurzer Zeitraum liegt, daß die Zeit/Amplitiden-Wandlerschaltung
im nichtlinearen Bereich arbeitet bzw.
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daß der nichtlineare Teil einen wesentlichen Beitrag zum Gesamtmeßwert
Liefert, was zu einer Verfälschung des so gewonnenen Feinmeßwertes führen kann.
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Um hier zu noch besser reproduzierbaren und genaueren Ergebnissen
zu gelangen, sieht die Erfindung vor, daß das Anhalten der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
durch den entsprechenden Nulldurchgang der Oszillatorschwingung bei jeder Zeitabstandsmessung
und bei jeder Eichmessung mit einer vorbestimmten zeitlichen Verzögerung erfolgt
und daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung nach jeder dieser Messungen durch ein
schaltugsintern erzeugtes Start-Signal gestartet und durch ein gleichzeitig mit
diesem Start-Signal erzeugtes, ebenfalls der vorbestimmten zeitlichen Verzögerung
unterworfenes Stop-Signal wieder angehalten wird und daß der so gewonnene Korrekturwert
von dem vorausgehend gewonnenen Zeitmeßwert subtrahiert wird.
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Durch diese Maßnahmen wird also zunächst die Zeitspanne, während derer
die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung bei jeder
Feinmessung und
auch bei jeder Eichmessung arbeitet, um einen vorgegebenen Zeitraum verlängert,
der so gewählt ist, daß er mit Sicherheit größer ist als der Zeitraum, während dessen
die Amplitude des Ausgangssignals der Zeit/Amplitudenwandlerschaltung in nichtlinearer
Weise anwächst. Sofort nachdem der so gewonnene Meßwert zwischengespeichert ist,
wird die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung auf den Ausgangszustand zurückgesetzt
und dann durch ein intern erzeugtes Start-Signal neu gestartet. Gleichzeitig mit
diesem Start-Signal wird auch ein Stop-Signal intern erzeugt und der Zeit/Amplituden-Wandlerscilaltung
auf dem gleichen Weg zugeführt, auf dem sie bei den eigentlichen Zeitmessungen das
vom Nulldurchgang der Oszillatorschwingung herrührende Stop-Signal erhält.
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Dieses gleichzeitig mit dem intern erzeugten Start-Signal erzeugte
Stop-Signal erfährt auch also die oben erwähnte Verzögerung, so daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
trotz der gleichzeitigen Erzeugung der beiden Signale für einen Zeitraum arbeitet,
der dieser Verzögerung (und eventuell zwischen Start- und Stoppleitung vorhandenen
LaufzeituntcrschiedeII , die bei der eigentlichen Zeitmessung in gleicher Weise
vorhanden sind) entspricht. Es wird somit ein Korrekturwert erzeugt, mit dessen
Hilfe exakt die in der gerade vorausgegangenen Zeitmessung enthaltenen Laufzeitdifferenzen
und Nichtlinearitäten erfaßt werden.
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Dieser Korrekturwert wird von dem noch zwischengespeicherten Zeit-Feinmeßwert
oder Eichmeßwert abgezogen. Die Differenz stellt einen Meßwert dar, wie man ihn
mit einer ideal linear arbeitenden und ohne Lauf zeitdifferenzen angesteuerten Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
erhalten würde und ist somit für eine weitere Verarbeitung optimal geeignet. Da
die Korrekturwerte immer sofort unmittelbar nach der zu korrigierenden Messung gewonnen
werden, wird auch
der Einfluß von an dieser Stelle eventuell auftretenden
Langzeitdriften eliminiert.
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Vorzugsweise findet ein Oszillator mit rechteckförmigem Ausgangssignal
Verwendung, wobei an die Stelle der Nulldurchgänge der Oszillatorschwingung die
Durchgänge der Impulsflanken durch einen vorgegebenen Spannungspegel treten.
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Eine zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe geeignete
Zeitmeßvorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruches 11 zusammengefaßten Merkmalen
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine den Zähler spätestens beim
Auftreten des ersten Zeitmarkensignals freigebende und frühestens nach dem Auftreten
des letzten Zeitmarkensignals der auszumessenden Signalreihe anhaltende Steuerschaltung
vorgesehen ist, und daß die Analogmeßschaltung eine einzige, für sämtliche Zeitmarkensignale
die Feinmeßwerte bestimmende Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung umfaßt. Es werden
also durch die erfindungsgemäß ausgebildete Steuerschaltung für den die Schwingungen
bzw. Impulse des freilaufenden quarzgesteuerten Oszillators abzählenden Zähler die
Voraussetzungen dafür geschaffen, daß dieser Zähler seinen Zählbetrieb bereits vor
spätestens aber unmittelbar nach dem Eintreffen des ersten Zeitmarkensignals aufnimmt
und in unveränderter Weise so lange fortsetzt, bis das letzte Zeitmarkensignal einer
ganzen Reihe solcher Signale eingetroffen und der zugehörige Zählwert erfaßt und
ausgelesen ist.
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Bei einer speziellen, bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerschaltung
für den Zähler gemäß Anspruch 12 ausgebildet, was dazu führt, daß der Zähler tatsächlich
erst unmittelbar nach dem Eintreffen des ersten Zeitmarkensignals gestartet wird.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer
optimalen Ausnutzung der
durch die Stufenzahl des Vorwärtszählers gegebenen Zählkapazität. Es ist vorteilhaft,
zwischen das den Zähler steuernde Flipflop und das dieses Flipflop ansteuernde "Start-Monoflop"
noch ein Verzögerungsglied zu schalten, um sicherzustellen, daß auch in den Fällen,
in denen das erste Zeitmarkensignal in einem Zeitraum auftritt, in dem der frei
laufende quarzgesteuerte Oszillator gerade einen positiven Ausgangsimpuls gibt,
vom Zähler nicht bereits dieser sondern erst der nächste positive Ausgangsimpuls
mitgezählt wird.
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Die Auslösung des Auslesen des nach dem Auftreten eines Zeitmarkensignals
jeweils erreichten Zählerstandes erfolgt vorteilhafterweise gemäß Anspruch 14 mit
Hilfe eines UND-Gatters, das einerseits durch Abfrage des Q-Ausgangs des Startmonoflops
erkennt, daß ein unmittelbar auf das Eintreffen eines Zeitmarkensignals folgender
Zeitraum vorliegt und das andererseits erst dann einen Auslesebefehl an die den
Zählerstand weiter verarbeitende Rechenschaltung abgibt, wenn es über seinen zweiten
Eingang festgestellt hat, daß der quarzgesteuerte Oszillator seinen ersten auf das
Zeitmarkensignal folgenden positiven Ausgangs impuls erzeugt, wodurch sichergestellt
wird, daß der diese positiven Ausgangsimpulse abzählende Vorwärtszähler einen definierten
Zählerstand erreicht hat.
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Die Ansteuerung der in dem vorzugsweise einzigen Analogmeßkanal der
erfindungsgemäßen Zeitmeßvorrichtung enthaltenen Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
erfolgt vorteilhafterweise gemäß Anspruch 15 über ein Setz"-Flipflop, dessen Q-Ausgang
mit dem Starteingang ?r Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung verbunden ist und das erst
dann zurückgesetzt wird, wenn die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung ihren Meßvorgang
beendet
hat und der von ihr dabei erzeugte Ausgangssignalwert weiterverarbeitet
worden ist. Durch das Zurücksetzen dieses "Setz"-Flipflops wird die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
wieder in ihren Ausgangszustand zurückgebracht, in dem sie für den Beginn einer
neuen Feinzeitmessung bereit ist.
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Das Anhalten der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung erfolgt vorteilhafterweise
nach Anspruch 16 durch ein "Rücksetz"-Flipflop, das nur dann gesetzt werden kann,
wenn das "Setz"-Flipflop gesetzt ist und ihm ein Stoppsignal zugeführt wird, das
entweder von der nächsten auf das Zeitmarkensignal folgenden, steigenden Oszillatorimpulsflanke
oder von einer Start-Stop-Steuerung stammen kann, deren Funktion und Aufbau im folgenden
noch erläutert wird.
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Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang, daß das Anhalten
der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung durch das "leucksetz"-Flipflop nicht unmittelbar
sondern über ein Verzögerungsglied mit einer vorgegebenen Zeitkonstante erfolgt,
die so gewählt ist, daß sie mit Sicherheit größer als derjenige Zeitraum ist, in
dem das Ausgangssignal der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung in nichtlinearer Weise
anwächst.
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Bei der eben erwähnten Start-Stop-Steuerung handelt es sich um eine
Schaltungsanordnung, die gemäß Anspruch 17 auf gebaut und ansteuerbar ist. Sie dient
bei Ansteuerung ihres einen Triggereingangs dazu, durch die Abgabe von Start- und
Stoppsignalen deren einer genau einer Oszillatorhalb- bzw. Vollperiode bzw.
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einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entspricht und von denen das
Start-Signal der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung auf dem gleichen Weg wie die Zeitmarkensignale
und das Stop-Signal auf dem gleichen Weg wie die bei der Feinzeitmessung
zum
Anhalten dienenden steigenden Oszillatorimpulsflanken zugeführt wird, die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
immer wieder mit Hilfe des äußerst genau schwingenden quarzgesteuerten Oszillators
nachzueichen.
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Daneben ist die Start-Stop-Steuerung dann, wenn sie an ihrem anderen
Triggereingang angesteuert wird, in der Lage, auf ihren Ausgangsleitungen exakt
gleichzeitig ein Start-und ein Stoppsignal abzugeben. Auch diese Signale werden
der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung auf den eben beschriebenen Wegen zugeführt,
so daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung genau für einen Zeitraum arbeitet, der
der Verzögerung des oben erwähnten Verzögerungsgliedes entspricht.
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Bei dieser Ansteuerung der Start-Stop-Steuerung wird also ein Korrekturwert
erzeugt, der es ermöglicht, den nichtlinearen Anfangsverlauf des Ausgangssignals
der Zeit/-Amplituden-Wandlerschaltung sowie eventuell zwischen der Start- und der
Stoppleitung vorhandene Laufzeitunterschiede zu kompensieren.
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Diese Korrekturwert~erzeugung erfolgt gemäß Anspruch 18 zweckmäßigerweise
immer unmittelbar nach einer Feinzeitmessung bzw. einer Eichwertmessung, damit diese
Werte sofort korrigiert werden können und eventuelle Drifterscheinungen im nichtlinearen
Teil des Ausgangssignals der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung keine Rolle spielen.
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Zwar ist es möglich, die von der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
abgegebenen analogen Meß-, Eich- und Korrekturwerte jeweils für sich zu digitalisieren
und erst dann weiter zu verarbeiten. Bevorzugt ist jedoch gemäß Anspruch 19 vorgesehen,
daß der Zeit/Ampli:llden-Wandlerschaltung in paralleler Anordnung zwei Analogspeicher
(Sample-and-H.'.d-Schaltungen) nachgeschaltet sind, die so angesteuert
werden,
daß immer die eine den von der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung erzeugten Feinzeitmeßwert
bzw. Eichmeßwert speichert, während die andere den unmittelbar danach erzeugten
Korrekturwert aufnimmt. Da gemäß Anspruch 21 bevorzugterweise die Ausgänge dieser
beiden Analogspeicher mit den Eingängen eines differenzbildenden Gliedes, beispielsweise
eines Differenzverstärkers verbunden sind, erscheint am Ausgang dieses differenzbildenden
Gliedes immer dann, wenn der zu dem jeweiligen Meß- bzw. Eichwert gehörende Korrekturwert
erzeugt worden ist, der korrigierte, analoge Meß- bzw. Eichwert, der unmittelbar
dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers zugeführt und von diesem in eine digitale
Form umgesetzt wird.
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Schließlich ist nach Anspruch 22 vorteilhafterweise vorgesehen, daß
immer dann, wenn der Analog/Digitalwandler die Umsetzung des ihm zugeführten analogen,
korrigierten Meß- bzw. Eichwertes in eine digitale Form beendet hat, ein Befehlssignal
an die Rechenschaltung geht, das diese Schaltung veranlaßt, den Dateninhalt des
Analog/Digital-Wandler-Ausgangspuffers abzufragen und einer weiteren Verarbeitung
zuzuführen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild
einer besonders bevorzugten, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Zeitmeß-Schaltung
und Fig. 2 ein das Arbeiten wesentlicher Teile der Schaltung aus Fig. 1 erläuterndes
Signaldiagramm.
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Die in Fig. 1 dargestellte Zeitmeßschaltung erhält die Zeitmarkensignale,
deren Abstände ausgemessen werden sollen am Eingang E,von wo sie an den einen Eingang
eines ODER-Gatters 1 gelangen, das sie an den einen Eingang eines UND-Gatters 2
weiterleitet, dessen zweiter Eingang über eine Leitung 3 mit dem Q-Ausgang eines
Sperr-Flipflops 5 verbunden ist.
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Der Rücksetz-Eingang des Sperr-Flipflops 5 ist über eine Diode 6 mit
dem einen Anschluß eines mit seinem anderen Anschluß ail der bystemmasse liegenden
Widerstandes und mit dem einen Anschluß eines mit seinem anderen Anschluß an der
Versorgungsspannung liegenden Kondensators 8 verbunden. Diese Schaltungsanordnung
sorgt dafür, daß das Sperr-Flipflop 5 nach dem Einschalten der gesamten Schaltungsanordnung
zunächst zwangsläufig zurückgesetzt wird, so daß an seinem Q-AusgarltJ eine logische
Null erscheint und das UND-Gatter 2 sowie eine Reihe von weiteren mit der Leitung
3 verbundenen UND-Gatternzunächst solange gesperrt ist, bis die in die Schaltungsanordnung
mit einbezogene Rechenschaltung 10, die im vorliegenden Fall von einem Mikroprozessor
gebildet wird, betriebsbereit ist und über eine Leitung 12 einen die gesamte Schaltungsanordnung
in einen definierten Ausgangs zustand bringenden Rücksetzimpuls abgibt.
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Dieser Rücksetzimpuls gelangt auch an den Takteingang eines Steuerflipflops
9,dessen Dateneingang D mit dem Q-Ausgan von Flipflop 5 verbunden ist und daher
zu diesem Zeitpunkt auf einer logischen 1 liegt. Daher wird durch den vom MikrGl,rozessor
10 kommenden Steuerimpuls das Steuerflipflop 9 gesetzt, so daß an seinem Q-Ausgang
eine
logische 1 erscheint, die an den Takteingang des Sperr-Flipflops 5 gelangt und dieses
setzt. Das Sperr-Flipflop bleibt während des ganzen weiteren Betriebsablaufes der
Schaltungsanordnung im gesetzten Zustand, so daß die von ihm über die Leitung 3
angesteuerten UND-Gatter 2,28 und 47 im folgenden für die an ihren jeweils anderen
Eingang angelegten Signale als durchlässig betrachtet werden können.
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Die an den Eingang E der Zeitmeßschaltung angelegten Zeitmarkensignale
gelangen also über das ODER-Gatter das 2 1 und UND-Gatter an den Takteingang eines
Setz-Flipflops 15, dessen Dateneingang D permanent mit der positiven Versorgungsspannuny
verbunden ist, so daß das Setz-Flipflop 15 aufgrund des Taktsignales gesetzt wird
und an seinem Q-Ausgang eine logische 1 erscheint. Diese logische 1 wird einerseits
an den Starteingang der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 gelegt, die somit beginnt,
an ihrem Ausgang eine mit der seit dem Eintreffen des Zeitmarkensignals verstrichenen
Zeit monoton anwachsende Spannung abzugeben. Außerdem gelangt die vom Q-Ausgang
des Setzflipflops 15 abgegebitle logische 1 an den Dateneingang eines Stop-Flipflops
18, das somit vorbereitet ist, an seinem Q-Ausgany eine logische 1 abzugeben, sobald
es an seinem Takteingang ein entsprechendes Steuersignal erhält.
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Da gegenwärtig von einem Zeitraum die Rede ist, der unmittelbar nach
dem Eintreffen eines Zeitmarkensignals am Eingang E liegt, muß dieses Steuersignal
von dem quarzgesteuerten Oszillator 20 kommen, der mit dem Takteingang des Stoppflipflops
18 über das UND-C.rttter 21,
das ODER-Gatter 27 und das UND-Gatter
28 verbunden ist.
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Da, wie oben bereits erwähnt, das vom Sperr-Flipflop 5 über die Leitung
3 angesteuerte UND-Gatter 28 einfach als durchlässig für die an seinem zweiten Eingang
angelegten Signale betrachtet werden kann, ist die einzige Bedingung für die Ansteuerung
des Stopp-Flipflops 18 durch den Oszillator 20, daß das UND-Gatter 21 an seinem
zweiten Eingang eine logische 1 aufweist, die es iiber die Leitung 23 von Start-Monoflop
24 erhält, das llllt seinem Takteingang am Eingang E der Schaltungsanordnung liegt
und somit durch jedes neu hereinkommende Zeitmarkensignal getriggert wird.
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Die Länge der vom Start-Monoflop 24 an seinem Q-Ausgang auf die Leitung
23 abgegebenen positiven Impulse ist so gewählt, daß sie wenigstens etwas größer
als eine Vollperiode des Oszillators 20 ist. Hierdurch wird erreicht, daß tatsächlich
nur diejenige steigende Oszillatorimpulsflanke zum Stop-Flipflop 18 gelangt, die
unmittelbar auf ein eintreffendes Zeitmarkensignal folgt.
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Ausserdem gelangt der vom Start-Monoflop 24 über die Leitung 23 abgegebene
Impuls über das ODER-Gatter 25 an den Rücksetzeingang einer Start-Stop-Steuerung
26, deren Funktion im folgenden noch genauer erläutert wird.
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Zunächst wird weiterhin die Situation betrachtet, daß, wie oben beschrieben,
das Setz-Flipflop 15 und das Start-Monoflop 24 durch ein am Eingang E erschienenes
Zeitmarkensignal gesetzt bzw. getriggert worden sind und daß daher einerseits die
Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 arbeitet, und andererseits am Dateneingang des
Stop-Flipflops 18 eine logische 1 anliegt. Das über die Leitung
23
vom Q-Ausgang des Start-Monof]ops 24 angesteuerte Gatter 21 läßt den nächsten positiven
Ausgangsimpuls des Oszillators 20 durch, der über das ODER-Gatter 27 und das UND-Gatter
28 an den Takteingang des vorbereiteten Stopp-Flipflops 18 gelangt und mit seiner
steigenden Flanke dieses Flipflop setzt. Die hierauf am Q-Ausgang des Stopp-Flipflops
18 erscheinende logische 1 gelangt mit der durch das Verzögerungsglied 30 vorgegebenen
Verzögerungs eit t einerseits an den Stoppeingang der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
16, die damit angehalten wird und an ihrem Ausgang ein Spannungssignal abgibt, dessen
Amplitude ein Maß für die zwischen dem Start- und dem Stop-Signal verstrichene Zeit
darstellt.
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Weiterhin gelangt das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 30 an
den Takteingang eines Monoflops 31, dessen positiver Ausgangsimpuls jeweils an einen
Eingang der UND-Gatter 33 und 34 gelegt ist.
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Diese beiden Gatter werden über eine Leitung 35 bzw. ein ODER-Gatter
37 und dessen Ansteuerleitungen 38 und 71 von einer Ablaufsteuerung 40 angesteuert,
die als Johnson-Zähler ausgebildet ist, und im vorliegenden Fall acht Ausgänge besitzt,
von denen maximal einer eine logische 1 abgibt, während alle anderen auf logische
liegen.
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Durch den beim Eintreffen des Zeitmarkensignals vom Start-Monoflop
24 abgegebenen Impuls ist diese Ablaufsteuerung 40 über das ODER-Gatter 41 zurückgesetzt
worden, so daß zunächst keiner seinebrewuutszgtaQnnge eine logische 1 zeigt.
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über das Verzögerungsglied 43 und das ODER-Gatter 45 wurde der Ausgangsimpuls
des START-Monoflops 25 jedoch auch auf den Takteingang eines Trigger-Monoflops 46
gelegt,
das über das als ständig offen zu betrachtende UND-Gatter
47 ein Taktsignal an den Takteingang der Ablaufsteuerung 40 weitergegeben hat, so
daß diese im gegenwärtig betrachteten Zeitpunkt an ihrem Ausgang Q1 eine logische
1 abgibt.
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Dieses Signal gelangt über die Leitung 38 und das ODER-Gatter 37 an
das UND-Gatter 34, so daß dieses Gatter den ab vom Monoflop 31 gegebenen Impuls
durchläßt, während das UND-Gatter 33 über die zum ODER-Gatter 58 führende Leitung
35 gesperrt ist, da das ODER-Gatter 58 mit den Ausgängen Q2 und Q6 der Ablaufsteuerung
40 verbunden ist, die zu diesem Zeitpunkt beide eine logische Null aufweisen.
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Der vom Steuer-Monoflop 31 in dem unmittelbar nach dem Auftreten eines
Zeitmarkensignals am Eingang E liegenden, durch das Ausgangssignal Q1 der Ablaufsteuerung
40 gekennzeichneten Zeitraum abgegebene Ausgangsimpuls wird also nur durch das UND-Gatter
34 weitergegeben und steuert den als Sample-and-Hold-Schaltung ausgebildeten Analogspeicher
48 so an, daß dieser über die Leitung 49 den zu diesem Zeitpunkt am Ausgang der
Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 anliegenden, und den Feinmeßwert des betreffenden
Zeitmarkensignals darstellenden Spannungswert übernimmt.
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Während des eben beschriebenen Zeitraums hat der vom Start-Monoflop2abgegebene
und durch das Verzögerungsglied 43 verzngerte Impuls über die Leitung 51 dann, wenn
es sich um das erste Zeitmazsens1gnal der auszumessenden Reihe handelt, auch das
Zähler-Steuerflipflop 5 gesetzt, so daß der Zähler 53 mit dem Abzählen der ihm über
die Leitung 54
vom Oszillator 20 zugeführten Impulse begonnen hat.
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Das vom Gatter 21 aufgrund des Ausgangsimpulses des Start-Monoflops
24 beim Auftreten der ersten steigenden Oszillatorimpulsflanke nach dem Zeitmarkensignal
abgegebene Steuersignal wurde außerdem über die Leituny 57 d(, Interrupt-Anforderung
des Mikroprozessors 10 zugeleitet:, der daraufhin über das UND-Gatter 55 einen Lesebefehl
an den Zähler 53 abgegeben hat, so daß ihm über den gemeinsamen Daten-Bus der nach
der interessierenden steigenden Oszillatorimpulsflanke im Zähler enthaltene Zählerstand
zugeführt worden ist.
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Alle diese Abläufe ereignen sich, wie gesagt, während der Zeit Q1'
die dadurch beendet wird, daß der Ausgangs impuls des Steuer-Monoflops 31 über das
Verzögerungsglied 56 an das ODER-Gatter 45 und von diesem an das Trigger-Monoflop
46 gelangt, das nun die Ablaufsteuerung 40 auf die Zeit Q2 weiterschaltet.
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Außerdem werden durch das vom Verzögerungsglied 56 abgegebene und
das St Stop-ilipf op 18 Signal das noch immer gesetzte Setz-Flipflop 1EYzuruckgesetzt,
wodurch auch die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 in ihren Ausgangszustand zurückgebracht
und für den nächsten Meßvorgang vorbereitet wird.
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Durch das Takten der Ablaufsteuerung 40 erscheint an deren Ausgang
Q2 eine logische 1, die über das ODER-Gatter 50 und die Leitung 35 einerseits an
den Eingang El der Start-Stopp-Steuerung 26 und andererseits an den zweiten Eingang
des UND-Gatters 33 gelegt wird, das somit für den gesamten, nun beginnenden Zeitraum
Q2 geöffnet bleibt.
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Die Ansteuerung der Start-Stop -Steuerung 26 über den Eingang El bewirkt,
daß die Start-Stop-Steuerung 26 über ihre beiden Ausgänge genau gleichzeitig jeweils
ein Signal abgibt. Das am Start-Ausgang abgegebene Signal gelangt über die Leitung
59 an den zweiten Eingang des ODER-Gatters 1 und von diesem über das zur Zeit offene
UND-Gatter 2 an den Setzeingang des Setz-Flip-Flop 15, das über steinen Q-Ausgang
die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 startet und das Stop -Flip-Flop 18 für den
Empfany eines Stopimpulses vorbereitet. Dieser Stopimpuls kommt ebenfalls von der
Start-Stop-Steuerung 26 übel das ODER-Gatter 28 und das zur Zeit offene UND-Gatter
28, so daß also das Stop-Flipflop 18 praktisch gleichzeitig mit dem Start-Flipflop
15 gesetzt wird. Da das Ausgangssignal des Stop-Flipflops 18 aber durch das Verzögerungsglied
um die Zeit r verzögert anale Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 gelangt, arbeitet
letztere für einen entsprechenden Zeitraum und erzeugt an ihrem Analogausgang eine
Signalspannung, die aufgrund der speziellen Wahl von'im wesentlichen den nichtlinearen
Anfangsteil eines jeden Meßsignales kennzeichnet und darüber hinaus auch eventuelle
vorhandene Laufzeitunterschiede auf den Wegen von den ODER-Gattern 1 bzw. 27 zur
Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 beinhaltet.
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Aut der Leitung 49 erscheint also ein Korrekturwert, der nun durch
den vom Steuer-Monoflop 31 abgegebenen Impuls, der über das geöffnete UND-Gatter
33 an den Analogspeicher 60 gelangt, in letzteren eingeschrieben wird. Da in diesen
Zeitraum Q2 die Ab]«ufsteuerung 40 sowohl auf ihrem Ausgang Q1 als auch auf ihrem
Ausgang Q5 eine logische Null abgibt, die über die Leitungen 38 bzw. 71 an das ODER-
Gatter
37 gelangen, ist das UND-Gatter 34 gesperrt, so daß der den während der vorausgehenden
Zeit Q1 gewonnenen leinmeawert enthaltende Analogspeicher 42 nicht angesteuert wird.
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Wie am Ende der Zeit Q1 wird auch jetzt der vom Monoflop 31 abgegebene
Ausgangsimpuls über das Verzögerungsglied 56 einerseits zum Zurücksetzen an das
und andererseits über das ODER-Gatter 45 an den Takteingang desTrigger -Monoflops
46 gelegt, das die Ablaufsteuerung 40 auf die Zeit Q3 weiter schaltet.
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Die somit am Ausgang Q3 erscheinende logische 1 gelangt über das ODER-Gatter
36 und die Leitung 67 einerseits an den START-Eingang des Analog/Digital-Wandlers
65, der die an seinem Analogeingang von dem Differenzverstärker 62 abgegebene Signalspannung
erhält, die einem korrigierten Zeit-Feinmeßwert des empfangenen Zeitmarkensignals
entspricht, wie er mit einer ideal linear arbeitenden und ohne Laufzeitunterschiede
angesteuerten Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 gewonnen worden wäre.
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Sobald der Analog/Digitalwandler 65 diese analoge Signalspannung digitalisiert
hat, gibt er über seinen ENDE-Ausgang ein Signal ab, das durch das vermittels der
auf der Leitung 67 im Zeitraum Q3 erscheinendeal,ogischen 1 aufgesteuerte UND-Gatter
68 an die Interrupt-Anforderung des Mikroprozessors 10 gelangt und diesen veranlaßt,
über das UND-Gatter 69 den Puffer-Enable-Eingang des Analog/-Digitalwandlers 65
anzusteuern, so daß der korrigierte Feinzeitmeßwert in digitaler Form über den gemeinsamen
Daten-Bus an den Mikroprozessor 10 weitergegeben wird.
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Die eben beschriebenen Vorgänge laufen so rasch ab, daß das vom ODER-Gatter
36 abgegebene Signal über die Leitung 67
auch an einen der ingän
des ODER-Gatters 45 gelegt werden kann, so daß das Trigger-Monoflop 46 getaktet
wird und die Ablaufsteuerung 40 auf den Ausgang Q4 weiterschaltet. Die hier erscheinende
logische 1 wird lediglich dazu benutzt, über das ODER-Gatter 25 die Start-Stop-Steuerung
26 wieder in ihren Ausgangszustand zurückzuversetzen und über das ODER-Gatter 45
und das Trigger-Monoflop 46 die Ablaufsteuerung 40 auf die Zeit Q5 weiterzuschalten.
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Die somit am Ausgang Q5 erscheinende logische 1 gelangt über die Leitung
71 einerseits an den Eingang E2 der Start-Stop-Steuerung 26 und andererseits an
den einen der beiden Eingänge des ODER-Gatters 37, das diese logische 1 an das UND-Gatter
34 weitergibt, so daß dieses Gatter während des nun folgenden Zeitraums Q5 geöffnet
bleibt.
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Die Ansteuerung der Start-Stop-Steuerung 26 über den Eingang E2 führt
dazu, daß die Start-Stop-Steuerung 26 zunächst über die Leitung 59 ein Startsignal
abgibt, das mit den über die Leitung 72 an die Start-Stop-Steuerung 26 gelangenden
Impulsen des Oszillators 20 zeitlich genau korreliert ist und beispielsweise exakt
einer steigenden Flanke eines solchen Oszillatorimpulses entspricht. Durch dieses
Startsignal wird über das ODER-Gatter 1 und das Setz-FlipfloL wieder die Zeit/Amplitu(len-Wandlerschaltung
16 in Betrieb genommen. Anders als bei der zur Zeit Q2 erfolgenden Ansteuerung der
Start-Stop-Steuerung 26 über den Eingang El wird nunmehr das Stop-Signal aber nicht
gleichzeitig sondern später als das Start-Signal abgegeben und zwar so, daß auch
das Stop-Signal exakt beispielsweise mit einer steigenden Impulsflanke des Oszillators
20
zusammenfällt. Dieses Stop-Sianal gelangt ebenfalls über das
ODER-Gatter 27, das Stop -Flipflop 18 und das Verzögerungsglied 30 an die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
16, die somit an ihrem Ausgang ein Signal liefert, dessen Amplitude durch den sehr
genau bekannten Abstand der beiden von der Start-Stop-Steuerung 26 weitergeleiteten
Oszillatorimpulsflanken und die hierzu addierte Verzögerungszeit z des Verzögerungsgliedes
30 festgelegt ist.
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Zur Nacheichung der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 wird dieses
Ausgangssignal über die Leitung 49 an die beiden Analogspeicher 48 und 60 gelegt,
von denen allerdings nur der Speicher 48 durch den Ausgangsimpuls des Monoflops
31 über das geöffnete UND-Gatter 34 zum Einlesen angesteuert wird. Das UND-Gatter
33 ist über die Leitung 35 gesperrt, da im gegenwärtigen Zeitraum Q5 weder am Ausgang
Q2 noch am Ausgang Q6 der Ablaufsteuerung 40 eine logische 1 anliegt.
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Der durch das Verzögerungsglied 56 weitergegebene Ausgangsimpuls des
Steuer-Monoflops 31 setzt in der beschriebenen Weise die Flipflop 15 und 18 zurück
und schaltet über das ODER-Gatter 45 und das Triqger-Monoflop 46 die Ablaufsteuerung
auf die Zeit Q6 weiter.
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Die somit am Ausgang Q6 erscheinende logische 1 gelangt über das ODER-Gatter
58 auf die Leitung 35 und löst somit die gleichen Steuerfunktionen aus, wie sie
oben bereits im Zusammenhang mit der Zeit Q2 beschrieben wurden. Es wird also wieder
ein der Verzögerungszeit cf entsprechender Korrekturwert der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
16 erzeugt und in den Analogspeicher 60 eingelesen. Die Weiterschaltung der Ablaufsteuerung
40 erfolgt wieder über den Ausgangsimpuls des Steuermonoflops 31, so daß dann am
Ausgang Q7
eine logische 1 erscheint.
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Diese logische 1 gelangt über das ODER-Gatter 36 auf die Leitung 67
und löst dort die gleichen Funktionen aus, wie dies oben für die Zeit Q3 beschrieben
wurde. Es wird nunmehr der am Ausgang des Differenzverstärkers 62 erscheinende korrigierte
Eichwert für die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 in den Analog/Digital-Wandler
65 eingelesen, von diesem digitalisiert und an den Mikroprozessor weitergegeben.
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Da die am Ausgang Q7 erschienene logische 1 über die Leitung 67 auch
an das ODER-Gatter 45 weitergegeben wird, wird durch das Trigger-Monoflop 46 die
Ablaufsteuerung 40 auf die Zeit Q8 weitergeschaltet. Die am entsprechenden Ausgang
erscheinende logische 1 gelangt über das ODER-Gatter 41 unmittelbar an den Rücksetzeingang
der Ablaufsteuerung 40, so daß diese in ihren Bereitschaftszustand zurückgesetzt
wird, in dem an keinem der Ausgänge Q1 bis Q8 eine logische 1 vorhanden ist. Damitzdie
gesamte Schaltungsanordnung bereit, das nächste Zeitmarkensignal zu empfangen.
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Die wesentlichste zur Bildung der interessierenden Zeitabstände und
zur Durchführung der Korrektur- und Eichwertbildung erforderlichen Vorgänge werden
nun nochmals anhand von Fig. 2 im einzelnen erläutert.
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In der obersten Zeile E sind beispielsweise drei Zeitmarkensignale
einer Signalreihe wiedergegeben, deren Zeitabstände t T1 und tT2 ausgemessen werden
sollen.
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In der zweiten Zeile zeigt Fig. 2 die am Ausgang des ODER-Gatters
1 erscheinenden Impulse. Dies sind zunächst einmal die drei jeweils den Signalen
E zugeordneten Impulse, deren steigende Flanken aufgrund der Gatterlaufzeit um s
gegen die steigenden Flanken der Zeitmarkensignale verzögert sind, doch ist diese
Verzögerung - anders als in Fig. 2
dargestellt - außerordentlich
klein und spielt auch bei einer an.Jestrebten sehr hohen Meßgenauigkeit keine Rolle,
da sie über die kurzen Zeiten # T1 bzw. #T2 als konstant angenommen werden kann.
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Zur Ermittelung von # T1 und # T2 ist es also ohne Fehler möglich,
die Zeitabstände der steigenden Flanken der in Rede stehenden Impulse am Ausgang
des Gatters 1 zu messen.
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Da Zeitmarkensignale über das Start-Monofbp 24, die Leitung 23 und
das Gatter 21 auch an den Mikroprozessor 10 gelangen, kann/diesen aus dem Zähler
53 der nach dem ersten dieser drei Impulse erreichte Zählwert ausgelesen werden.
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Gemäß Fig. 2, in deren dritter Zeile von oben die Rechtecksimpulse
des Oszillators 20 dargestellt sind, ist dies der Zählwert n + 2.
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In entsprechender Weise werden nach dem zweiten Zeitmarkensignal aus
dem Zähler 20 der Zählwert n + 6 und nach dem dritten Zeitmarkensignal der Zählwert
n + 10 ausgelesen.
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Somit erhält man für die interessierenden Zeitabstände #T1 und t T2
die Grobmeßwerte #T1G = [(n + 6) - (n+ 2)] # = = 4 # # T2G = [(n + 10) - (n +6)]
# = = 4 # Man sieht, daß aufgrund der hier angenommenen Tatsache, daß zwischen den
einzelnen Zeitmarkensignalen nur wenige Oszillatorimpulse auftreten, diese Grobmeßwerte
nicht geeignet sind, um den vorhandenen Unterschied zwischen
#T1
und #T2 sichtbar zu machen.
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Daher wird gleichzeitig mit der steigenden Flanke eines jeden einem
Zeitmarkensignal entsprechenden Ausgangsimpulses des Gatters 1 die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
16 gestartet, deren Ausgangssignal, wie in der untersten Zeile von Fig. 2dargestellt,
zunächst in nichtlinearer Weise, spätestens aber nach der Zeit r streng proportional
mit der Zeit anwächst.
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Die auf die steigenden Flanken der den Zeitmarkensitnalen zugeordneten
Impulse am Ausgang des Gatters 1 jeweils unmittelbar folgenden steigenden Impulsflanken
des Oszillators 20 sind in Fig. 2 mit den Zählwerten n + 2, n + 6 und n + 10 gekennzeichnet
und besitzen von den ersteren die als Zeit-Feinmeßwerte interessierenden Zeitabstä'1ide
d t1 d t2 und bs;3. Die eben genannten steigenden Impulsflanken des Oszillators
20 werden über die Gatter 21,27 und 28 und das Stop-Flipflop 18 an das Verzögerungsglied
30 gegeben, das, wie in der zweiten Zeile von unten in Fig. 2 dargestellt, mit der
vorbestimmten Verzögerungszeit r einen Stopbefehl an die ZeitiAmplituden-Wandlerschaltung
16 weitergibt.
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Somit stehen am Ausgang der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 zu
den Zeiten tt1 + S , A t2 + Z und ß t3 + & die Amplituden A1, A2 und A3 zur
Verfügung, die jeweils in die zuvor gelöschte erste Sample-and-Hold-Schaltung 48
eingegeben werden, worauf die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 16 auf ihren Ausgangspegel
zurückgesetzt wird.
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Mit der jeweils nächsten fallenden Oszillatorimpulsflanke erzeugt
nun die über ihren Eingang E2 von der Ablaufsteuerung 40 aktivierte Start-Stop-Steuerung
26 gleichzeitig einen Start- und einen Stop-Impuls.
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Der Start-Impuls erscheint am Ausgang des Gatters 1 praktisch ohne
Verzögerung, wie dies in Zeile 2 der Fig. 2 dargestellt ist und bewirkt das in der
untersten Zeile dieser Figur dargestellte erneute Ansteigen des Ausgangssignals
der ZeitAmplituden-Wandlerschaltung 16.
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Der Stop-Impuls durchläuft die Verzögerungsschaltung 30 und erscheint
mit der Verzögerung t an deren Ausgang.
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Nach jeder Meßwerterfassung wird also die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
nochmals für die Zeit T in Betrieb gesetzt, was zur Erzeugung der in der untersten
Zeile der Fig. 2 ebenfalls dargestellten Korrekturwerte α1, α2 und α3
führt.
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Diese Korrekturwerte werden jeweils in die zweite Sampleand-Hold-Schaltung
60 eingegeben und durch den Differenzverstärker 62 von den in derersten Sample-and-Hold-Schaltung
48 jeweils gerade enthaltenen Meßwerten A1 bzw. A2 bzw. A3 subtrahiert, so daß nach
den Gleichungen A1 - α1 = #A1 A2 - α2 = #A2 A3 - α3 = #A3 in den
Analog/Digitalwandler 65 die zu den interessierenden Zeit-Feinmeßwerten a t1 A t2
und d t3 streng proportionalen Amplitudenwerte eingegeben werden.
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Hieraus kann der Rechner 10 dann die Zeit-Feinmeßwerte bestimmen und
gemäß den Gleichungen
#T1 = #T1G + #t1 - #t2 #T2 = #T2G + #t2 -
#t3 die gesuchten Zeitabstände #T1 T, und #T2 berechnen.
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Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, daß sich die so gewonnenen
Zeitabstände #T1, #T2, ... auf summieren lassen, ohne daß es zu einer Summierung
der Meßfehler kommt. Aus den beiden obigen Gleichungen folgt nämlich #T1 + #T2 +
... = # T1G + #t1 - #t2 + + # 2G + #t2 - #t3 + + ....
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Man sieht, daß hier mit Ausnahme von d t1 sämtliche mit Meßfehlern
behaftete Feinzeitmeßwerte t2, d t3 ...
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herausfallen, so daß sich ihre Fehler nicht summieren können.
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Die die Messung der Korrekturwerte s 1 K 2 ot3 ...
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einleitenden intern erzeugten Start-Impulse müssen nicht unbedingt
in der dargestellten Weise zeitlich mit den fallenn Oszillatorimpulsflanken korreliert
sein, die unmittelbar auf die die Aufnahme der Meßwerte A1, A2, A3 endenden steigenden
Oszillatorimpulsflanken folgen. Wesentlich ist nur, daß sie so rechtzeitig nach
der jeweils vorausgegangenen Meßwerterfassung erzeugt werden, daß der durch sie
erhaltene Korrekturwert α1, α2, α3 ... ein vernünftiges Maß für
den im zugehörigen Meßwert enthaltenen im wesentlichen nichtlinearen Anteil darstellt.
Außerdem muß dafür gesorgt sein, daß die Korrekturwerterfassung abgeschlossen
ist,
bevor die nächste Meßwert- bzw. Eichwerterfassung beginnt.
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Weiterhin ist in Fig. 2 eine in Zeitraum 8 T1 stattfindende Eichwerterfassung
zum Nacheichen der ZeitlAmplituden-Wandlerschaltung 16 mit Hilfe des Quarzoszillators
20 dargestellt.
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Zu diesem Zweck erzeugt die über den Eingang El von der Ablauf steuerung
40 getriggerte Start-Stop-Steuerung 26 zunächst einen Start-Impuls, der exakt mit
dem Ausgangssignal des Oszillators 20 synchronisiert ist. In Fig. 2 ist dies der
dritte Impuls von links in der Zeile ODER 1.
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Ebenso exakt mit dem Oszillatorsignal synchronisiert gibt die Start-Stop-Steuerung
26 um eine vorgegebene Anzahl von Oszillatorhalb- oder voliperioden verzögert ein
Stop-Signal über das ODER-Gatter 27 ab. In Fig. 2 ist der einfacheren Darstellung
halber angenommen, daß der Stop-Impuls genau eine Quarz-Halbperiode nach dem Start-Impuls
erzeugt wird.
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Er durchläuft ebenfalls das Verzögerungsglied 30, so daß also die
ZeittAmplituden-Wandlerschaltung nach der Zeit t 2 + v angehalten wird; an ihrem
Ausgang liegt dann ein Signal mit der Amplitude AE an, das wie ein normaler Zeitmeßwert
zunächst in der ersten Sample-and-Hold-Schaltung 48 zwischengespeichert wird. Hierauf
wird durch Ansteuerung des Eingangs E2 der Start-Stop-Steuerung 26 in der gleichen
Weise, wie dies oben für die Zeitmeßwerte beschrieben wurde, ein Korrekturwert i
E erzeugt, so daß der Differenzverstärker 62 den eigentlich interessierenden Eichwert
d AE erzeugen kann, der dann ebenfalls digitalisiert und vom Rechner 10 weiter verarbeitet
wird.
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Jedesmal wenn zwischen aufeinanderfolgenden Zeitmarkensignalen eine
genügend große Anzahl von Oszillatorimpulsen
auftritt, ist es innerhalb
des betreffenden Zeitraumes AT möglich, eine Nacheichung der Zeitl Amplituden-Wandlerschaltung6
n der eben beschriebenen Weise vorzunehmen, so daß die gesamten Zeitabstandsmessungen
letztlich mit der Genauigkeit und Langzeitkonstanz des quarzgesteuerten Oszillators
durchgeführt werden kann.