DE3039840A1

DE3039840A1 - Zeitintervall-messgeraet

Info

Publication number: DE3039840A1
Application number: DE19803039840
Authority: DE
Inventors: Bruce W. Beaverton Oreg. Blair
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1979-10-25
Filing date: 1980-10-22
Publication date: 1981-04-30
Also published as: NL188370C; DE3039840C2; FR2468153A1; JPS634674B2; NL8004993A; JPS5666787A; GB2063489A; CA1135515A; FR2468153B1; GB2063489B; NL188370B; US4301360A

Description

Patentanwälte Dipl.-InQ. JoaChim StraSSe München zweibrückenstr.15 Am Markt 11

Professional Representatives D-βΟΟΟ München 2 D-6450 Hanaul

Before The Γ>- UanC.Uarhorf Qt/>ffrAriAri ii ^ΤβΙ- (⁰⁸⁹>^22259β Tel.(06181)243 83

European Patent Office Ulm ΠαΙΙ9 ΠβΐϋβΠ 9ϊΟΠΤ€|)6Π Hanau Telex 5 22 054 Telex 4184 762

5·

TEKTRONIX, In^.

Beaverton, Oregon 97077

V.St.A. München, 15. Oktober 1980

str-es 12 138

Zeitintervall - Meßgerät

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Zeitmessung, insbesondere auf ein Zeitintervall-Meßgerät zur Messung extrem kurzer Zeitintervalle.

Konventionelle Zeitmeßschaltungen verwenden typischerweise Techniken, bei denen entweder direkt gezählt oder Verhältnisse von Zählraten in Frequenz/Zeitdauermessungen bestimmt werden= Eine solche Technik schaltet mit einem Vorimpuls bei einem Ereignis einen digitalen Zähler ein und stoppt den Zähler beim Eintreten eines zweiten Ereignisses. Der Zähler zählt Impulse eines Taktgebers, einer "Uhr", zwischen den beiden Ereignissen, und demzufolge ist das gemessene Zeitintervall mit einem Fehler von +- einem Impuls behaftet. Dieser Fehler von einem Zählimpuls mag für lange Zeitintervalle vernachlässigbar sein, die durch Zählen von Impulsen einer Uhr hoher Frequenz gemessen wurden. Für kurze Zeitintervalle jedoch, beispielsweise iirc Bereich unterhalb einer Mikrosekunde, wird der Zählfehler signifikant. Nach dem Stand der Technik kann dieses Problem nur durch Einsatz von bei extrem hoher Frequenz arbeitenden Uhren und entsprechend schnellen Zählerschaltungen angegangen werden. Die so aufgebauten Schaltungen sind jedoch sehr komplex und mit hohen Kosten belastet.

Die vorliegende Erfindung steht unter der Aufgabe eine neuartige Zeitintervall-Meßvorrichtung zur Verfugung zu stellen, die die Messung kurser, d. h. im Bereich unterhalb von Mikrosekunde:', 1 irgend;-"- Zeitintervalle erlaubt und dabei langsamere Uhrun:l Zähl £-:"-5C;'..-3.ü rur-gen verwendet.

13 0 0 13/08 i A - 6 -

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine innerhalb eines festlegbaren Zeitfensters arbeitende Zeitsteuerschaltung eine in zwei verschiedenen festlegbaren Raten aufladbare Kapazität enthält, die langsamere Rate definiert eine festlegbares maximales Zeitintervall. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Ladungsraten genau in einem Verhältnis von 100 zu 1 skaliert.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die vergrößerte Meßgenauigkeit einer Schaltung zur Zeitintervallmessung durch Zeitskalierung während des Messvorgangs.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine einfache und kostengünstige Zeitintervall-Meßvorrichtung zur Messung extrem kurzer Zeitintervalle, wie der Zeitdifferenz zwischen einem von einem Eingangssignal abgeleiteten Triggerimpuls und der nächsten folgenden Flanke eines Abtast-Uhrimpulses in einem digitalen Oszilloskop, zur Verfügung.

Zu Beginn des Intervalls, beispielsweise nach Empfang eines Triggersignals, beginnt die Ladung der Kapazität, und zwar mit der schnelleren Rate. Am Ende des Intervalls, beispielsweise nach Empfang der Flanke eines Abtasttaktimpulses, wird die Ladungsrate umgeschaltet und die weitere Ladung der Kapazität wird mit der langsameren Rate fortgesetzt. Ebenfalls am Intervallende wird ein Zähler zur Registrierung von Taktimpulsen während der Zeit des Ladungszyklus der Kapazität eingeschaltet, in der mit der langsameren Rate geladen wird. Der Zähler wird gestoppt, wenn die Kapazität auf einen festlegbaren Spannungspegel entsprechend dem maximalen Zeitintervall aufgeladen ist. Die Anzahl der bei der langsameren Ladungsrate gezählten Impulse wird mit ■ dem Verhältnis der schnellen zur langsamen Ladungsrate skaliert, also im Beispiel der bevorzugten Ausführungsform durch 100 dividiert, um so das gemessene Zeitintervall zu erhalten, das nachfolgend von dem festlegbaren maximalen Zeitintervall subtrahiert wird, wodurch schließlich die

130018/0894

gewünschte Messung des Zeitintervalls zwischen den beiden Ereignissen vorliegt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detallierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Zeitintervall-Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Verdeutlichung der Zeitintervallmessung.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Zeitintervall-Meßgerät zur Bestimmung der zwischen einem mit einem Eingangssignal verbundenen Triggerimpuls und der nächstfolgenden Impulsflanke einer Abtastuhr in einem digitalen Oszilloskop verstrichenen Zeit zur Verfügung, mit der die aus dem Fehler von +- einer halben Abtastperiode resultierenden Schwankungen korrigiert werden können. Fig. 1 zeigt ein Paar flankengesteuerter D-Flip-Flops 10 und 12, die den Betrieb der Zeitintervall-Meßvorrichtung in Abhängigkeit von einem Triggersignal, das an einen Eingangsanschluß 16, und einem Abtastuhrsignal, das an einen Eingangsanschluß 18 angelegt ist, steuern. Die Betriebsweise der Schaltung wird detailliert nachstehend im Zusammenhang mit Fig. 2 dargestellt.

Ein Paar von Stromquellen 20 und 22 versorgt einen zeitbestimmenden Kondensator 24 mit einem konstanten Ladestrom. Die Stromquelle 20 ist zwischen eine passende Quelle einer positiven Versorgungsspannung, beispielsweise +12 Volt, und die Emitter eines emittergekoppelten Paares von Transistoren 28 und 30 geschaltet. Die Stromquelle 22 ist zwischen der +12 Volt-Span-

130018/089 4

nungsversorgung und den Emitter eines zweiten emittergekoppelten Paares von Transistoren 32 und 34 angeschlossen. Diese emittergekoppelten Transistoren bewirken ein Umschalten des Stromes, wie nachstehend beschrieben wird und schalten jeweils zu einer gegebenen Zeit nur eine der beiden Stromquellen 20 und 22 auf den Zeitsteuer-Kondensator 24. Die Basen der Transistoren 30 und 32 sind zusammen an einen passenden Pegel einer Referenzspannung angelegt, ihre Kollektoren sind miteinander und mit einer Seite der Kapazität 24 verbunden, deren anderer Anschluß auf Erdpotential liegt. Die Kollektoren der Transistoren 28 und 34 sind beide an Erdpotential gelegt. Ihre Basen sind mit den Q-bzw. Q'-Ausgängen des Flip-Flops 12 verbunden.

Der invertierende (-) Eingang eines Komperators 40 ist mit dem nicht auf Erdpotential liegenden Anschluß der Kapazität 24 verbunden, sein nichtinvertierender (+) Eingang liegt an einer präzisen Referenzspannung. Der Ausgang des Komperators 40 ist an einen Eingang eines UND-Gatters 42 angeschlossen. Ein Takt-Signal ist über einen Anschluß 44 an einen zweiten Eingang des UND-Gatters angeschlossen. Der Ausgang des UND-Gatters 42 ist mit dem Triggereingang eines Binärzählers 48 verbunden. Der Q'-Ausgang des Flip-Flops 12 ist an den Löscheingang des Zählers 48 angelegt. Die vom Zähler 48 registrierten Impulse werden als Datenmenge an einen Prozessorschaltkreis, beispielsweise einen Mikroprozessor (jaP) 50 weitergeleitet.

Die zeitsteuernde Kapazität 24 kann durch einen Transistor 54, dessen Kollektor und Emitter die Kapazität überbrücken, zurückgesetzt werden. Die Basis des Transistors 54 ist über die Parallelschaltung des Widerstands 56 und der Kapazität 58 an den Q'-Ausgang des Flip-Flops 10 angeschlossen. Ein Widerstand 60 verbindet die Basis des Transistors 54 mit einer passenden Quelle negativer Spannung, beispielsweise -12 Volt und bewirkt so, daß der Transistor normalerweise abgeschaltet ist. Der Transistor 54 ist als bipolarer Transistor dargestellt, kann jedoch ebensogut ein Feldeffekttransistor sein.

1300 18/0894

Die Schaltung arbeitet wie nachstehend beschrieben:

Anfangs wird Flip-Flop 10 zurückgesetzt, so daß sein Q-Ausgang niedrig und sein 0'-Ausgang hochgesetzt ist. Transistor 54 wird bis zur Sättigung eingeschaltet und hält so den zeitsteuernden Kondensator 24 im vollständig entladenen Zustand. Flip-Flop 12 wird durch den niedrigen Q-Ausgangsimpuls des Flip-Flops 10 zurückgesetzt, so daß sein Q-Ausgang niedrig und sein Q'-Ausgang hoch liegt. Die Transistoren 30 und 34 werden ein-, Transistoren 28 und 32 ausgeschaltet, so daß Strom von der Stromquelle 20 durch die Transistoren 30 und 54 und Strom von der Stromquelle 23 durch Transistor 34 gegen Erde fließt. Damit ist der nicht-erdseitige Anschluß des Zeitsteuer-Kondensators 24 virtuell geerdet und der Ausgang des Komparators 40 liegt hoch, so daß Uhr-Impulse durch das UND-Gatter 42 an den Zähler gelangen können, der durch den hochgesetzten Q'-Ausgang des Flip-Flops 12 in einem zurückgesetzten Betriebszustand gehalten wird und so keine Zählimpulse am Ausgang produziert. Dies beendet die Anfangsbedingungen für die Zeitintervallschaltung .

Bei Empfang eines Triggersignals am Anschluß 16 wechseln die Ausgänge des Flip-Flops 10 ihren Zustand, lösen Flip-Flop 12 und den Transistor 54. Transistor 54 schaltet ab und läßt den gesamten Strom aus der Stromquelle 20 in den Zeitsteuer-Kondensator 24 fließen. Die Ladungsspannung als Funktion der Zeit innerhalb eines festlegbaren Zeitfensters für den Kondensator 24 ist in Fig. 2 dargestellt, wobei der Triggerpunkt 80 bei einem Zeitpunkt t₀ liegt. Erfolgte die Ladung in dieser Rate vollständig bis zu der. 2 Volt-Umschaltpegel des Komparators 40, würde der 2 Volt-Punkt innerhalb eines festlegbaren Zeitintervalls t„ erreicht, das in der bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen den V/erten t_T = 200 ns (Nanosekunden), 100 ns oder 40 ns wählbar ist. Diese Zeitintervalle t„ wurden für die vorliegende Ausführungsform so ausgewählt, daß sie die Messung der Zeitdifferenz zwischen

- 10 -

130018/0 894

einem Triggersignal und der nächstfolgenden Flanke eines Abtast-Uhr-Impulses bei verschiedenen Abtastraten ermöglichen, wobei die Abtastrate der Uhr 5, 10 und 25 MHz beträgt.

Zu einem Zeitpunkt innerhalb des Zeitintervalls t„ erscheint die Flanke des Uhr-Abtast-Impulses, veranlaßt die Q- und Q'-Ausgänge des Flip-Flops 12 zum Umschalten ihres Zustandes, schaltet die Transistoren 28 und 32 ein, Transistoren 30 und 34 ab und entfernt das Rücksetz-Signal von Zähler 48. An diesem Punkt, der in Fig. 2 als Knick 82 dargestellt ist, fließt Strom von der Stromquelle 22 in den Kondensator während Strom von der Stromquelle 20 gegen Erde durch den nun leitenden Transistor 28 fließt. In der bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die Stromquelle 20 eine Stromstärke von 10 mA zur Verfügung, Stromquelle 22 dagegen 100 /λΑ, so daß ein präzises Skalierungsverhältnis von 100 zu 1 zwischen beiden Stromquellen besteht. Nach Empfang der Flanke des Uhr-Abtast-Impulses lädt sich daher der Zeitsteuer-Kondensator bis zur 2 Volt-Grenze mit einer hundertfach langsameren Rate, und während dieser Zeit zählt der Zähler, der nicht langer zurückgesetzt ist, die 10 MHz Uhr-Impulse, die über das UND-Gatter 42 anliegen. Die langsamere Ladungsrate ist als gestrichelte Linie 84 in Fig. 2 dargestellt, zur Verdeutlichung ist dort das Verhältnis der Steigungen ungefähr 10 zu 1. Das für einen Meßvorgang tatsächlich gewählte Verhältnis hängt von den Meßbedingungen und der gewünschten Meßgenauigkeit ab.

Ist der Zeitsteuer-Kondensator 24 bis zum 2 Volt-Pegel aufgeladen, schaltet Komparator 40, dessen Ausgang tiefgesetzt wird, so daß das UND-Gatter 42 die Weiterleitung der Uhr-Impulse zum Zähler 48 blockiert. Zu diesem Zeitpunkt repräsentiert der Inhalt des Zählers 48, der durch Zählen während des expandierten tp Intervalls entstanden ist, das tatsächliche Zeitintervall t„ wegen der präzisen Skalierung. Dies bedeutet, daß jede Zählung von 100 ns bei dem langsamen Ladungsstrom äquivalent

- 11 -

130018/0894

einer Nanosekunde bei dem schnellen Ladungsstrom ist. Der Mikroprozessor 50 subtrahiert das t_? Intervall von dem festlegbaren Zeitintervalle t„,, um so das Zeitintervall t.. zwischen den beiden Ereignissen, nämlich dem Triggersignal und der Flanke des Abtast-Uhr-Impulses, zu erhalten.

Weiterhin kann der Mikroprozessor 50 auch zur Beseitigung von Schaltungsungenauigkeiten dienen. Ist beispielsweise der Transistor 54 im gesättigten Zustand, kann der Kondensator 24 tatsächlich noch eine Spannung von einigen zehntel Volt aufweisen, wodurch ein Nachsteuern der Vergleichs-Referenzspannung nötig wird, damit ein präzises Zeitintervall-Fenster von 2 Volt zur Verfugung gestellt wird. Der Mikroprozessor kann dadurch diesen Offset korrigieren, das er minimale und maximale Zählraten in aufeinanderfolgenden Zyklen registriert und die Rohdaten justiert.

Die Zeitintervall-Meßvorrichtung wird gelöscht und auf die Anfangsbedingungen zurückgesetzt durch Anlegen eines Initialisierungs-Signals an den Löscheingang des Flip-Flops 10. Das Initialisierungs-Signal kann auf unterschiedliche Weise nach Umwandlung des Zählsignals in eine Meßgröße erzeugt werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird es vom Mikroprozessor 50 erzeugt.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt ist, sollen unterschiedliche Ausführungsformen, Änderungen, und deren Anwendungen, die im Bereich der Tätigkeit eines durchschnittlichen Fachmanns liegen, im Geiste und Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein.

130018/0894

e e r s e

if

Claims

Dr. Hssns-Herbert Stoffregen Hanau

TEKTROIiIZ₅ In-.

Beaverton, Oregon 97077 V.St.A,

München, 15. Oktober 1980 str-es 12 138

Zeitintervall - Meßgerät

ntansprüche :

Zeitintervail-Meßgerät,

dadurch gekennzeichnet,

daß es in einer ersten und einer zweiten festlegbaren Rate innerhalb eines festlegbaren Zeitfensters betrieben wird, wobei die zweite Rate im Verhältnis langsamer als die erste Rate ist, daß eine Steuerschaltung (10,12) vorgesehen ist, die auf ein Start- und ein Stop-Signal reagiert, so daß eine Zeitschaltung mit der ersten festlegbaren Rate während eines ersten Zeitintervalls, das durch die Zeitdifferenz zwischen den Start- und Stop-Signalen bestimmt ist, betrieben wird, und daß die Zeitschaltung mit der zweiten festlegbaren Rate während eines zweiten Zeitintervalls betrieben wird, das bestimmt ist durch die Zeitdifferenz zwischen dem Stopsignal und der oberen Grenze des festlegbaren Zeitfensters, daß eine Vorrichtung (48) zur Messung des zweiten Zeitintervalls vorgesehen ist, um einen Meßwert bereitzustellen und daß weiterhin eine Vorrichtung (50) vorgesehen ist, die den Meßwert von dem festlegbaren Zeitfenster subtrahiert, um so eine Messung des ersten Zeitintervalls zu erreichen.

13001 8/0 89A
2. Zeitintervall-Meßgerät gemäß Anspruch I,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Zeitschaltung einen Kondensator (24) und mit diesem Zeitsteuer-Kondensator (24) verbindbare erste (20) und zweite (22) Konstantstromquellen aufweist, daß die Steuerschaltung Transistorschalter (28,30,32,34) zur Verbindung der ersten Konstantstromquelle (20) mit dem Kondensator (24) nach Empfang des Startsignals aufweist, und daß die Transistor-Schaltvorrichtung (28,30,32,34) die erste Konstantstromquelle (20) von dem Kondensator (24) abtrennt und die zweite Konstantstromquelle (22) an den Kondensator (24) anlegt, sobald das Stopsignal empfangen wird.
3. Zeitintervall-Meßvorrichtung gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Zeitschaltung weiterhin einen Komparator (40) aufweist, dessen einer Eingang mit dem Kondensator (24) und dessen zweiter Eingang mit einer Referenz-Spannung verbunden ist, um die obere Grenze des Zeitfensters festzulegen·
4. Zeitintervall-Meßvorrichtung gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuerschaltung (10,12) weiterhin eine Vorrichtung (54) zum Halten des Kondensators in einem festlegbaren Ladungszustand hält, bis das Startsignal empfangen wird.
5. Zeitintervall-Meßvorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung zum Messen des zweiten Zeitintervalls -.-inen Zähler (48) zur Registrierung von Uhr-Takt-Impulsen enthält, der bei Empfang des Intervall-Stopsignals eingeschaltet und wieder ausgeschaltet wird, wenn die Zeitschaltung die obere Grenze des festlegbaren Zeitfensters erreicht.

130018/0894 -

3 -
6. Schaltung zum Messen eines Zeitintervalls zwischen einem ersten und einem zweiten Ereignis,

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Teile:

eine Zeitsteuerschaltung mit einem Kondensator (24), der einen schnell ansteigenden Rampenimpuls mit einer ersten festlegbaren Rate erzeugt und einen langsam ansteigenden Rampenimpuls mit einer zweiten festlegbaren Rate zwischen einer ersten Referenzspannung und einer zweiten Referenzspannung, wobei der schnell ansteigende Rampenimpuls bei der ersten Referenzspannung durch das erste Ereignis ausgelöst wird, dagegen bei einer unbekannten Spannung beendet wird, die zwischen der ersten und der zweiten Referenzspannung liegt, durch das zweite Ereignis und wobei der langsam ansteigende Rampenimpuls bei der unbekannten Spannung durch das zweite Ereignis begonnen und bei der zweiten Referenzspannung beendet wird, wobei die gesamte Zeitperiode zwischen der ersten und der zweiten Referenzspannung durch die zweite festlegbare Rate bestimmt wird, weiterhin eine Vorrichtung (48) zum Messen des Zeitintervalls des langsam ansteigenden Rampenimpulses und eine Vorrichtung (50) zum Subtrahieren des Zeitintervalls des schnell ansteigenden Rampenimpulses .
7. Schaltung gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Zeitschaltung weiterhin erste (20) und zweite (22) Konstantstromquellen enthält, die an den Kondensator (24) zum Bereitstellen von Ladungsstrom anlegbar sind, daß ein Komparator (40) vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit dem Kondensator (24) und dessen zweiter Eingang mit der zweiten Referenzspannung verbunden ist, und daß der Ausgang des Komparators (40) an die Vorrichtung (48) zum Messen des Zeitintervalls des langsam ansteigenden Rampenimpulses angelegt ist.

-A-

13001 8/0894

3039:
8. Schaltung gemäß Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung (48) zur Messung des Zeitintervalls des langsam ansteigenden Rampenimpulses einen Zähler (48) enthält, der während des Zeitintervalls des langsam ansteigenden Rampenimpulses Impulse einer Uhr (44) zählt, wobei der Zähler (48) durch das zweite Ereignis eingeschaltet und durch den Ausgangsimpuls des Komparators (40) ausgeschaltet wird.
9. Schaltung gemäß Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß weiterhin eine Steuerschaltung (10,12) vorgesehen ist, die auf Start- und Stop-Signale reagiert, die dem ersten bzw. zweiten Ereignis entsprechen, so daß der Ablauf des Betriebes der Zeitschaltung und des Zählers gesteuert werden.

13001 8 / 0