DE3152870A1

DE3152870A1 - Vorrichtung zur bestimmung des verhaeltnisses von zwei signalwiederholfrequenzen

Info

Publication number: DE3152870A1
Application number: DE19813152870
Authority: DE
Inventors: William 44118 University Heights Ohio Pickering; David Joseph 61615 Peoria Ill. Ubanc
Original assignee: Caterpillar Tractor Co NDGesDStaates Calif Peoria Ill; Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1981-05-26
Filing date: 1981-05-26
Publication date: 1983-07-28
Also published as: JPS58500822A; WO1982004338A1; GB2111685B; GB2111685A

Description

IW ·

S 5385

Vorrichtung zur Bestimmung des Verhältnisses von zwei Signalwiederholfrequenzen

Technisches Gebiet.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer Impulswiederholfirequenz oder Reite, die sich direkt als Funktion des Verhältnisses von zwei Eingangssignalwiederholfrequenzen verändert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, um Meßschaltungen unempfindlich gegenüber äußeren Effekten wie beispielsweise Umgebungstemperaturänderungen zu machen.

Stand der Technik.

Es ist bekannt, eine sich ändernde Größe als die Wiederholfrequenz eines sich mit der Zeit verändernden Signals darzustellen, wie beispielsweise eines Impulszugs oder einer sinusförmigen Wellenform. Beispielsweise kann eine elektrische Komponente wie beispielsweise ein veränderbarer Widerstand, Kondensator, Induktor oder eine Kombination daraus im Oszxllatorschwingkreis eines Oszillators angeschaltet sein, um 'die Ausgangswiederholrate

(Frequenz) des Oszillators als Funktion irgendeiner Grosse zu ändern, die die elektrische Komponente beeinflußt.

In bestimmten Fällen ist es zweckmäßig, das Verhältnis zwischen zwei derartigem Wiederholfrequenzen festzustellen. Ein Verfahren zur Bestimmung eines Verhältnisses umfaßt eine Umwandlung jedes Verhältnisses in einen Analog-Strom und das Hindurchleiten dieser Ströme durch Induktoren (Induktivitäten), wobei dessen Ausgangsfelder die Position eines beweglichen Magneten beeinflussen. Das Verhältnis der Frequenzen oder Raten sind somit repräsentiert als die Resultierende von zwei nicht-parallelen magnetischen Feldern.

Eine andere Vorrichtung zur Berechnung der Wiederholfrequenzverhältnisse ist in US-PS 3 04 0 983 von Bigelow beschrieben. Diese US-Patentschrift wurde am 26. Juni 1962 erteilt und trägt den folgenden Titel: "Pulse-Train Ratio Apparatus". In der Bigelow-Schaltung werden zwei Frequenzsignale gleichzeitig auf gesonderten Kanälen empfangen, wobei jeder Kanal Schaltungsmittel· aufweist, um seine Eingangsimpulsfolge in eine Analog-Spannung proportional zur Impulsfrequenz umzuwandeln. Diese beiden Analog-Spannungen werden an unterschiedliche Eingänge eines DC-Operationsverstärkers derart angelegt, daß für ein gegebenes Zeitintervall die Amplitude und Polarität der Verstärkerausgangsgröße das Verhältnis der Eingangsfrequenzen oder Eingangsraten repräsentiert.

Es besteht ein Bedürfnis nach einer relativ einfachen Schaltung zur direkten Bestimmung der Wiederholtrequenzverhältnisse, die nicht von der Umwandlung in Analog-Signalform abhängt und die ohne weiteres mit digitalen Datenverarbeitungsvorrichtungen kompatibel ist.

Offenbarung der Erfindung.

Gemäß einem Aspekt sieht die Erfindung eine Schaltung für die direkte und präzise Bestimmung der Wiederholfreqüenzverhältnisse vor, und zwar unter Verwendung digitaler Verfahren, die weder magnetische Feldauflösung noch analoge Spannungserzeugung benötigen. Im allgemeinen wird dies erreicht durch die alternative Eingabe von, zwei Signalen, deren Wiederholfrequenzen ins Verhältnis gesetzt werden sollen, wobei ein Gate-Impuls erzeugt wird, der sich in seiner Länge verändert, und zwar umgekehrt mit der ersten Rate oder Frequenz (f.), und wobei ein Teil der zweiten Frequenz oder Rate (f?) auf eine Ausgangsklemrne getastet (gating) wird, und zwar entsprechend der Länge der Gate- oder Tast-Impulses.

Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für Kompensationsmeßschaltungen vor, und zwar für die Effekte von äußeren Einflüssen wie beispielsweise der Temperatur. Im allgemeinen wird dies dadurch erreicht, daß man erste und zweite Signalgrößen erzeugt, die sich in ihrer Wiederholfrequenz ähnlich und im gleichen Sinne infolge äußerer Änderungen verändern, die sich aber in ihrer Wiederholfrequenz unähnlich oder in einem entgegengesetzten Sinne infolge von Änderungen der gemessenen Signalgröße ändern, und wobei digital das Verhältnis der zwei Komponentensignalgrößen abgeleitet wird, und zwar als eine stabilisierte Anzeigegröße der Änderungen in der Meßgröße. ......

Kurze Beschreibung der Zeichnungen.

Fig.. 1 ist ein detailliertes Schaltungsdiagrarrux.

einer die Erfindung verkörpernden Vorrichtung ;

Fig. 2 und 2A sind Darstellungen von Signalwellenformen, die durch die Schaltung der Fig. 1 erzeugt wurden;

Fig. 3 ist ein vereinfachtes Wellenformdiagramm, welches die Mathematik der Verhältnisbe- . Stimmung gemäß der Erfindung darstellt und

Fig. 4 ist eine ins Einzelne gehende Schaltung einer Vorrichtung, die eine alternative Ausführungsform der Erfindung verkörpert.

Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung. Fig. 1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ein angepaßtes Paar von induktiven Abfühlelementen 10 und 12 aufweist. Die Abfühlelemente 10 und 12 sind durch komplementär betätigte Signalübertragungs-Gatterschaltungen G1 und G2 mit einem Oszillator 14 verbunden, wo sie alternativ als Frequenzbestimmungselemente arbeiten, d.h. die Abfühlelemente 10 und 12 sind über die Gatter-Schaltungen mit der Oszillator-Schaltung des Oszillators 14 verbunden, um in alternativer Weise die Ausgangsfrequenz des Oszillators gemäß dem elektrischen Impedanzwert oder Reaktanzwert zu beein.fl.us-. sen. Die Gate-Schaltungen G1 und G2 werden in einer Multiplex-Betriebsart betrieben, um die Verwendung eines einzigen Oszillators 14 zu gestatten, der sowohl den Abfühlelementen 10 als auch 12 dient.

Die Zeit-Multiplex-Ausgangsgrößen des Oszillators 14 liegen über einen Wellenformpuffer 16, der einen Inverter, eine NAND-Gatter-Schaltung oder dergleichen aufweisen kann, an einer Logik-Schaltung 18, die ein Ausgangssignal an Klemmen 21 erzeugt, welches mit dem Verhältnis der zwei Eingangssignalwiederholfrequenzen, im folgenden £' und f₂ genannt, in Beziehung steht. Die Hauptelemente der Schaltung 18 umfassen eine ein MHz-TaktquclIe 22, eine Logikschaltung 24 zur Verbindung des Takts 22 mit einer

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Reihe von 4029 Zählern 26 in sowohl Aufwärts- als auch Abwärtszählbetriebsarten, ein Paar von 4 013 FlipFlops 28, die die verschiedenen Komponenten der Schaltung.18 steuern, wie auch die Leitfähigkeit der zwei Übertragungsgatterschaltungen GI und G2 und eine Synchronisierschaltung, die ein 4013 Flipflop 102 aufweist, welches die Wiederholfrequenzen f.. und f~ synchronisiert, um zu verhindern, daß eine fehlerhafte Extrazählung, zum Ausgang 21 geliefert wird. Es sei darauf hingewiesen, daß Industrie-Standardzahlen für kommerziell verfügbare integrierte Schaltungen hier immer dann verwendet werden, wenn dies möglich ist.

Was die weitere Beschreibung der Schaltung gemäß Fig. 1 im einzelnen anlangt, so werden Zeitsteuersignale durch die komplementären Ausgangsgrößen von Flipflop 30 auf Leitungen 32 und 34 erzeugt und machen die Gatterschaltungen G1 und G2 abwechselnd leitend. Nimmt man für einen Äugenblick an, daß die Leitung 32 hoch liegt und die Leitung 34 niedrig liegt, so wird die Gatterschaltung G1 leitend gemacht und koppelt daher das Abfühlelement 10 mit dem Eingang des Oszillators 14; dies hat die Erzeugung einer Oszillatorausgangsgröße mit der Frequenz f. zur Folge. Das f.-Frequenzsignal wird durch NAND-Gatter-Qchaltuncen 16 und 36 zum Eingang von Zähler 38 geleitet. Der Zähler 38 gehört zur 404 0 Bauart und arbeitet als ein Frequenzteiler und weist Ausgänge Q9, Q10 und QH auf, die Ausgangsimpulse liefern, die zeitlich dividierte Vielfache der Eingangsfrequenz sind; beispielsweise liefer der Q10-Ausgang einen Divisionsfaktor von 512. Nach einer vorgeschriebenen Anzahl von Impulsen der Eingangsfrequen'/ f.., empfangen durch den Zähler 38, geht der Q10-Ausganq hoch. Der Hoch-Impuls vom QTO-Ausgang wird über Leitung 4 0 an einen Eingang von NAND-Gatter Schaltung 42 geliefert, wobei der zweite Eingang davon mit

dem Ausgang des ein Megahertz-Takt 22 in Verbindung steht. Infolgedessen befähigt (enables) der hohe Ausgangsimpuls vom Ausgang Q10 die NAND-Gattcr-Schaltung 4 2 zum Durchleiten eines Megahertz-Taktsignals durch NAND-Gatter-Schaltung 44 zu den Takteingängen der Zähler 26. Zu diesem Zeitpunkt liegt der QII-Ausgang des Zählers 38 niedrig; dieser niedrige Wert wird auf ein hohes Signal durch Inverter 50 invertiert und das Signal wird seinerseits an einen Eingang des Puffers 16 und auch den Auf/Ab-Eingang jedes der Zähler 26 geliefert.

Ein hohes Signal an den Auf/Ab-Eingängen der Zähler 26 platziert letztere in eine Aufwärtszählbetriebsart, wobei infolgedessen die Zähler 26 den Puls des ein Megahertz-Taktsignals solange aufwärts zählen, bis der Q10-Ausgang des Zählers 38 hoch bleibt. Man erkennt somit, daß die Gesamtgröße des durch die Zähler 26 akkumulierten Zählerstandes durch die Dauer des Q1O-Ausgangsimpulses bestimmt wird, der seinerseits umgekehrt proportional zur Eingangsfrequenz f- ist. Es sei hier darauf hingewiesen, daß das Taktsignal eine willkürlich ausgewählte Frequenz besitzt insoferne, als sie mit keinem der sich ändernden Frequenzsignale in Beziehung steht, die auf die Änderungen der gemessenen Größe ansprechen; die Taktsignalfrequenz liegt jedoch vorzugsweise hoch proportional zu den Frequenzen f₁ und f„. In jedem Falle wird dann, wenn der Q10-Ausgang nach unten geht, der Q1!-Ausgang gleichzeitig hochgehen. Das Niedrigsignal vom Q10-Ausgang wird durch Inverter 48 auf ein Hochsignal invertiert, welches sodann dem Takteingang des Flipflops 30 zugeführt wird; das Flipflop 30 spricht auf die Änderung des Status der Signale auf Leitungen 32 und 34 an, d.h. die Leitung 32 geht nach unten und die Leitung 34 geht. hoch. Zu diesem Zeitpunkt koppelt die Gatterschaltung G2 das Abfühlelement.12 mit dem Eingang des Oszillators 14, der dann die Frequenz f_?

erzeugt. Das niedrige Signal von Q10 schaltet Gatter 42 ab (disable) und entfernt das Taktsignal von der NAND-Gatter-Schaltung 44 und die Takteingangsgrößen der Zähler 26. ·■■■■·.■■

Das Hochsignal vom Q11-Ausgang wird durch Inverter 50 auf einen niedrigen Zustand geändert; dieses Niedrigsignal schaltet die Zähler 26 in eine Abwärtszählbetriebsart und wird auch an einen Eingang des Puffers 16 geliefert, wodurch die Ausgangsgröße des letzteren abgeschaltet oder disabled wird, um so die Lieferung von Impulsen vom Oszillator 14 durch die Gatterschaltung 36 zum Zähler 38 zu unterbrechen. Das Hochsignal· vom Ql1-Ausgang wird auch durch NA¹Nn-Gatter-Schaltung 98 an NAND-Gatter-Schaltühq 96 geliefert; die Gatter-Schaltung 96 spricht an und leitet das ein Megahertz-Taktsignal durch Inverter 94 und durch Gatter-Schaltungen 92 und 36 zum Eingang von Zähler 38, der dann das ankommende ein Megahertz-Taktsignal verarbeitet. Das Zeitintervall 'Während welchem der Zähler 38 das ein Megahertz-Taktsignal verarbeitet, liefert eine Verzögerungsperiode, während welcher die Ausgaugsfrequenz des Oszillators 14 von f₁ auf f~ geschaltet wird. Diese Verzögerungsperiode gestattet, daß sich die Ausgangsgröße des Oszillators 14 auf der Frequenz f~ stabilisiert, und zwar unmittelbar folgend auf das Umschalten der Gatter GI und G2.

Der Zähler 38 verarbeitet das ein Megahertz-Taktsignal bis der Q9-Ausgang hochgeht. Gleichzeitig werden hohe Signale an den Ausgängen Q9 und Q11 durch Gatter-Schaltungen 98 und 96 verarbeitet, die die Lieferung des ein Megahertz-Taktsignals an den Zähler 38 beenden. Zusätzlich laufen gleichzeitig hohe Werte auf den Q9 und Q11-Ausgängen durch Gatterschaltung 98 und Inverter 100 zum Flipflöp 102, welches durch den nächsten f-,-Impuls gesetzt wird. Das Flip-

-r-

flop 102 liefert dann ein hohes Signal an NAND-Gatter-Schaltung.54, welche gestattet, daß das ein Megahertz-Taktsignal von dem Taktgeber 22 durch NAND-Gatter-Schaltung 4 geliefert wird, um die Eingänge der Zähler 26 zu takten, Wenn sich die Zähler 26 in einer Abwartsbetriebsart befinden (infolge der Tatsache, daß der Q11-Ausgang niedrig gegangen ist), fangen die Zähler 26 an entsprechend dem ein Megahertz-Takt-Signal nach unten zu zählen. Das Setzen des Flipflops 102 hat auch die Lieferung eines Gate- oder Steuersignals vom Q3-Ausgang des flipflops 102 zu einem Eingang der NAND-Gatter-Schaltung 20 zur Folge, wobei zwei zusätzliche Eingänge zur NAND-Gatter-Schalt-un.g 20 jeweils mit Leitung 34 über Leitung 106 bzw. mit dem Ausgang des Oszillators 14 gekoppelt sind. Somit veranlaßt das Gate-Signal vom Q3-Ausgang des Flipflop 102 die NAND-Gatter-Schaltung 20 ein synchronisiertes Frequenz f,,-Signal an die Ausgangsklemme 21 zu liefern.

Wenn die Zähler 26 auf null herabzählen, so werden hohe Ausgangssignale von den Übertragsleitungen CO1, CO2, CO3 der Zähler 26 an die Eingänge'der NOR-Gatter-Schaltung geliefert, was letztere dazu veranlaßt, ein Signal aus einem Ausgang zu erzeugen. Das Ausgangssignal' von Gatter-Schaltung 56 taktet (sets) Flipflop 58 und setzt Flipflop 30 zurück. Infolge des Setz-Signals liefert das Flipflop 58 ein Signal auf Leitung 60, welches die Zähler 38 rücksetzt. Wenn der Zähler 38 rückgesetzt ist, so gehen die "0.9-, Q10- und Q11-Ausgänge nach unten; das Niedrigsignal am Qi1-Ausgang wird durch Inverter 50 invertiert und bringt die Zähler 26 in die Aufwärtszählbetriebsart. Gleichzeitig mit der Rücksetzung des Zählers 38 liefert das Flipflop 58 auch ein Signal auf Leitung 6 1 an einen Eingang des NAND-Gatters 44, was den Ausgang des letzteren abschaltet oder disabled, um die Lieferung des ein Meqahertz-Taktsignals

. /to-

zu beenden. Demgemäß zählen die Zähler 26 auf null herab und verbleiben in einem Null-Zählerstand solange, bis sie darauffolgend durch ein niedriges Signal am Q11-Ausgang in die Aufwärtszählbetriebsart gebracht werden. Das Rücksetzen des Flipflops 30 durch den Ausgang der Gatter-Schaltung 56 bewirkt, daß.die Leitungen 32 und 34 in ihre ursprünglichen Zustände rückgesetzt werden, d.h. die Leitung 32 liegt hoch und die Leitung 34 liegt niedrig. Das Rücksetzen des Flipflops hat auch zur Folge, daß ein Rücksetzsignal auf Leitung 63 an den Rücksetzeingang des Flipflops 102 geliefert wird. Nach dem Rücksetzen des Flipflops 102 geht der Q3-Ausgang desselben nach unten und der Ausgang der Gatter-Schaltung 20 wird abgeschaltet. An diesem Punkt ist die Schaltung in ihren ursprünglichen Stärtzustand in Vorbereitung für den nächsten Zählzyklus zurückgekehrt.

Die Ausgangsgröße f der Gatter-Schaltung 20 (dargestellt in Fig. 2) ist infolge der zuvor beschriebenen Vorrichtung und Arbeitsweise proportional zum Verhältnis der Signalfrequenz f.. und f~.

Fig. 3 repräsentiert zwei Beispiele der Verhältnisbestimmung. Beispiel 1 veranschaulicht einen Impuls 100, proportional in seiner Zeitdauer zur f..-Rate oder Frequenz. In der Tat ist er gleich dem 2 56fachen der Nominal-Impulsdauer von f.. infolge der durch Zähler 38 durchgeführten Frequenzteilung. Die Rate oder Frequenz f.„ ist von solcher Art, da'zehn (10) Impulse innerhalb der Länge des Impulses 100 auftreten. Wenn der Impuls 100 als ein Gate- oder Tastimpuls verwendet wird, wie beispielsweise durch Anlegen an Gate-Ga tter-Scha.ltung 20, so ist die Ausgangsgröße f proportional zu f_?<-f, oder aber in diesem Beispiel 10 Impulsen pro Zeiteinheit.

Wenn wie im Beispiel 2 gezeigt, jeweils f^ und f_ um zehn Prozent ansteigen, so kann erwartet werden, daß das Verhältnis f_n konstant bleibt. In der Tat nimmt die Dauer der Impulse 100' um zehn Prozent ab, und zwar infolge der erhöhten Rate, mit der die f-(-Impulse auftreten, und in genauer Weise den zehn Prozent-Anstieg in der Anzahl der f -Impulse kompensieren, die in der ursprünglichen Zeitperiode auftreten. Somit bleibt die Anzahl der Ausgangs-(f_n)-Impulse pro Zeiteinheit konstant bei zehn.

Allgemein gilt die folgende Beziehung:

f₂ χ Ν

dabei ist f« die Ausgangsrate oder Frequenz

f.. die Eingangsrate oder Frequenz

f„ die andere Eingangsrate oder Frequenz

N der Divisionsfaktor des Elements 38.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches kein Multiplexen der Eingangs-Gatter-Schaltüngen erfordert, ist in Fig.4 gezeigt. In Fig. 4 sind angepaßte induktive Elemente 10 und 12 jeweils mit den Oszillatorschaltungen von angepaßten Oszillatoren 66 und 68 in der Oszillatorbasis 64 verbunden, um entsprechende variable Frequenzen f. und■f- zu erzeugen, die mit den Werten der Elemente 10 und 12 in !Beziehung stehen. Die Oszillatoren 66 und 68 arbeiten auf einer gemeinsamen Mittenfrequenz. Die Werte der Elemente 10 und 12 ändern die entsprechenden Ausgangsfrequenzen f. und f^ der zugehörigen Oszillatoren 66 und 68 entsprechend Änderungen der Größen der elektrischen Impedanz oder Reaktanz

solcher Elemente. Die von den Oszillatoren 66 und 68 abgegebenen Signale haben Frequenzen f.. und f~ und werden über entsprechend geschaltete Wellenformpuffer, wie beispielsweise NAND-Gatter 76 und 78 geliefert, die diese Signale für die spätere Verarbeitung rechteckig machen. Die Ausgänge der Gatter-S.chaltungen 76 und 78 sind mit Schaltungsmitteln 18 verbunden, die geeignet sind, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches eine Frequenz f_Q proportional zum Verhältnis der Eingangsf requen.zen f/ und f., besitzt. Die Schaltungsmittel 18 weisen Frequenzteilermittel in der Form eines Zählers 70, eine bistabile Schaltung aus einem Flipflop 72, ein Paar von in Serie geschalteten NAND-Gatter-Schaltungen 80 und Ausgangsgattermittel, die eine UND-Gatter-Schaltung 74. aufweisen, auf.

Die Signalausgangsgröße vom Oszillator 66 mit einer Frequenz f. wird an den Takteingang des Zählers 70 geliefert, der zur 4040 Bauart gehört und als ein Frequenzteiler arbeitet, der einen Teilung.sfaktor von 512 besitzt. Die ankommende Frequenz f.. wird durch 512 durch den Zähler 70 geteilt, so daß die.Q1O-Ausgangsgröße des Zählers 70 ein zeitgeteiltes Vielfaches der Frequenz f.. ist. Das zeitgeteilte Vielfache der Frequenz f.. wird über Leitung 82 an den D-Eingang des D-Type Flipflop 72 geliefert, während die Frequenz f,,-Ausgangsgröße des Oszillators 68 an den Takteingang des Flipflops 72 auf Leitung 84 geliefert wird. Das am D-Eingang des Flipflop 72 vorhandene Signal wird in effektiver Weise zum Q-Ausgang desselben jeden auf Leitung 84 empfangenen Taktimpuls transferiert. Die Q-Ausgangsgröße des Flipflops 72 wird über Leitung 86 an einen Eingang von UND-Gatter-Schaltung 74 geliefert. Die Frequenz der f.-,-Ausgangsgröße vom Oszillator 68 wird auch an einen Eingang der UND-Gatter-Schaltung 74 über

Leitungen 88 und 90 durch NANp-Gatter-Schaltungen 80 geliefert.

Die NAND-Gatter-Schaltungen 80 bewirken eine Verzögerung der Lieferung des f„-Frequenzsignals an Gatter-Schaltung 74 für eine Zeitdauer im wesentlichen gleich der Verzögerung der Lieferung der Ausgangsgröße des Zählers 70 an Gatter-Schaltung 74, hervorgerufen durch Flipflop 72.

Flipflop 72 ist im Betrieb zur Synchronisierung der Zeitsteuerung der f. und f .,-Signale, da die Ausgangsgrößen der Oszillatoren 66 und 68 .asynchron sind.

Das Ausgangssignal von Gatter-Schaltung 74 hat eine Frequenz f„ porportional zum Verhältnis der Signalfrequenz f und f^ und verbleibt stabil trotz der Umgebungsänderung die die elektrischen Werte der abfühlelemente 10 und 12 im gleichen Sinne ändert. Da sich jedoch die Signalfrequenzwerte f, und f_o in entgegengesetzten Richtungen verändern, ändert sich das Verhältnis proportional und liefert eine umgebungsmaßig unabhängige Anzeige der gemessenen Größe.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Ausgang von f„ nicht notwendigerweise unendliche Auflösung besitzt und automatisch auf den höchsten Zählerstand gerundet wird. Da beispielsweise die von den Oszillatoren 66 und 68 abgegebenen Impulse asynchron sind, wird ein kleiner Teil des Impulses von Signal f~ durch die Schaltung als ein voller Impuls- oder Zahler-Stand gezählt; wenn somit 5-1/4 Impulse durch die Schaltung verarbeitet, werden, so ergeben sich sechs Zählerstände. Der Zähler 70 teilt die Frequenz f des. Eingangssignals durch einen Faktor 512 und das durch die Zeit geteilte Vielfache des EinganqssignaIs erscheint

am Q1O-Ausgang des Zählers 70. Die Auflösung wird durch den Bereich oder die Variation der Eingangsfrequenzen ΐ. γ und fy bestimmt.

Industrielle Anwendbarkeit.

Die beschriebene Vorrichtung ist in der Lage, bei den verschiedensten Präzisions-Meßanwendungsfallen verwendet zu werden, kann aber ohne weiteres unter Bezugnahme auf den Anwendungsfall bei der linearen Positionsmessung in einer Umgebung mit sich ändernder Temperatur verstanden werden.

Öie Abfühlelemente 10 und 12 sind vorzugsweise derart ausgewählt und angeordnet, daß sie gleiche, d.h. angepaßte Ansprecheigenschaften gegenüber Umgebungsbedingungen wie beispielsweise der Temperatur besitzen. Anders ausgedrückt erzeugt eine gegebene Änderung der Umgebungstemperatur eine Änderung der gleichen Größe und im gleichen Sinn bei der elektrischen Eigenschaft für jedes der beiden Abfühlelemente. Die Abfühlelemente 10 und 12 sind jedoch bezüglich der gemessenen Größe derart konditioniert, daß sie im entgegengesetzten Sinn ansprechen; wenn beispielsweise die Abfühlelemente 10 und 12. Induktivitäten sind, die in einem beweglichen Linear-Positionsdetektor der Kernbauart verwendet werden, so sind die Kernelemente der entsprechenden Abfühlelemente 10 und 12 mechanisch derart miteinander verbunden, daß eine Positionsänderung in der überwachten Vorrichtung, einen Kern weiter in seine zugehörige Induktivität (inductor) hineinbewegt und der andere Kern wird weiter heraus aus seiner zugehörigen Induktivität (inductor) bewegt, um so elektrische Wertänderungen von entgegengesetztem Sinn zu erzeugen. Dies sei lediglich beispielhaft erwähnt und man erkennt, daß das 'gleiche auch

unter Verwendung von Widerständen und Kondensatoren sowie auch in Kombination elektrischer Komponenten erreicht werden kann.

Wie oben erwähnt ist das induktive Abfühlelement 10 mit einem intern beweglichen Kern ausgestattet, der mechanisch mit der Vorrichtung verbunden ist, deren Position überwacht werden soll, wodurch sich der Kern bei einer Rechtsbewegung weiter in das induktive Element 10 hinein und bei einer Linksbewegung weiter aus dem Element heraus bewegt. Umgekehrt ist das induktive Abfühlelement 12 mit einem beweglichen Kern ausgestattet, der mechanisch mit der zu überwachenden Vorrichtung in der Weise verbunden ist, um den Kern aus dem Element bei einer Rechtsbewegung der Vorrichtung weiter heraus und bei einer Linksbewegung der Vorrichtung weiter hinein in das Element zu bewegen. Infolgedessen sprechen die beiden induktiven Abfühlelemente 10 und 12 im gleichen Sinne auf Temperaturänderungen an, aber im entgegengesetzten Sinne auf eine Bewegung des Elements, dessen Position gemessen werden soll.

Die Arbeitsweise der Schaltung 18 in der oben beschriebenen Weise produziert eine Zeitmultiplexreihe von Signalen f.. und fp, die an die Schaltung 18 durch Gatter-Schaltung 16 angelegt werden. Der Zähler 38 dividiert das f.-Signal und erzeugt einen Gate-Impuls am Q10-Ausgang, dessen Dauer umgekehrt proportional zur Frequenz des f.. -Signals ist. Während der Periode des Gate-Impulses am Q10-Ausgang werden Impulse vom ein Megahertz-Takt 22 im Zahler,als eine Heraufzählfunktion gespeichert. Weil die Frequenz des Takts 22 festliegt, repräsentiert der Impulszählerstand in den Zählern 26 eine feste Zeitperiode, die durch Herabzählen auf null regeneriert werden kann. Bei Beendigung

-rf- ' ■ -Ab-

des Q1O-Gate-Impulses werden die Gatter-Schaltungen G1 und G2 gekippt und f~ wird an den Ausgang durch Gatter-.· Schaltung ,20 angelegt, und zwar für exakt die durch f. festgelegte Periode, so daß die relevanten Perioden von f. und fp in einem festen Verhältnis trotz Änderungen bei f. bleiben. Gleichzeitig werden Takt-Impulse durch Gatter-Schaltungen 54 und 44 angelegt, um die Zählerreihen 26 auf null zu zählen. Wenn der Null-Zählerstand erreicht ist, hört die Ausgangsgröße auf und die Schaltung wird für den nächsten Operationszyklus in den Ruhezustand rekonditioniert.

Die Verarbeitung der Signalausgangsgröße von der Gatter-Schaltung 20 kann verändert werden, um dem speziellen Benutzer angepaßt zu sein; in einem repräsentativen Beispiel wird die Anzahl der f„-Impulse, die während der Gate-Impulszeit auftreten, gezählt und gemittelt, und zwar aus einer Anzeige des Verhältnisses von f. und f~. Das Signal ist wegen seiner Form ohne weiteres für die moderne Signalverarbeitung und Datenspeicherausrüstung anpaßbar, was sich ohne weiteres für den Fachmann ergibt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist klar, daß ein neues Verfahren zur ableitung eines temperatur-stabilisierten Signales beschrieben wird, welches Änderungen in einer gemessenen Quantität repräsentiert, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

(a) Erzeugung einer ersten Signalgröße f. durch die Kombination des Abfühlelements 10 und Oszillator 14, die sich in einem Sinne bei Änderungen sowohl der gemessenen Signalquantität als auch der Umgebungsquantität ändert;

(b) Erzeugung einer zweiten Signalquantität f~ durch die operative Kombination des Abfühlelements 12 und Oszillators 14, die sich in einem Sinne ändert bei Änderungen der Umgebungsquantität aber im entgegengesetzten Sinne bei Änderungen der gemessenen Signalquantität, und

(c) operatives und arithmetisches Kombinieren der zwei Signalquantitäten in der logischen Schaltung 18 zur Erzeugung einer Ausgangssignalquantität an der Gatterschaltung 20 proportional zum Verhältnis der zwei Eingangssignalquantitäten.

In der speziell hier beschriebenen Vorrichtung wird dies in der direktesten Weise durch die Frequenzdivision des f .-Signals ausgeführt zur Erzeugung eines Gate-Impulses variabler Dauer und die Verwendung eines Gate-Impulses variabler Dauer zur Tastung des f₂-Signals zur Ausgangsklemme.

Es. sei bemerkt, daß die unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsbeispiele offenbarte Erfindung verschiedene dem Fachmann offensichtliche Modifikationen und Hinzufügungen erfahren kann. Es ist ferner klar, daß die Erfindung auch für andere Anwendungszwecke als die Messung der Linearposition angepaßt werden kann. Beispiele sind die Messungen des Drucks, der Feuchtigkeit, des Flüssigkeitspegels, des Lichtpegels, und akustischer Bedingungen. In ähnlicher Weise kann die Schaltung unempfindlich gegenüber anderen Umgebungsbedingungen als der Temperatur gemacht werden; Beispiele sind die Feuchtigkeit, der Luftdruck und irgendwelche andere Veränderungen, die beide Frequenzen in gleicher Weise beeinflussen, wie beispielsweise Fluktuationen in einer Leistungsversorgung, die Veränderungen in der Spannungsversorgung hervorrufen. Beispielsweise kann die. in Fig. 4 gezeigte Schaltung in einfacher Weise derart modifiziert werden, daß sie unempfindlich ist gegenüber derartigen Variationen durch Betreiben eines der Oszillatoren 66 und 68 mit einer festen Frequenz und durch Koppeln einer auf Kondition oder Bedingungen ansprechenden Fühl vorrichtung nut dom anderen der Oszillatoren 66 oder 68, der derartige Veränderungen

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abfühlt und die Betriebsfrequenz des anderen Oszillators 66 oder 68, nachdem er befestigt ist, ändert, und zwar entsprechend den abgefühlten Veränderungen.

Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung erhält man aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche.

Claims

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^{ρ a} tentansprücht

[ 1 J Vorrichtung zur Erzeugung eines Ausgangssignals (fj, dessen durchschnittliche Wiederholfrequenz proportional zur Frequenz von zwei Eingangssignalen ist, dxe Wiederholfrequenzen f. bzw. f besitzen, wobei folgendes vorgesehen ist:

Eingangsmittel (18) zum Empfang von mindestens repräsentativen Teilen der zwei Signale f. und f-,;

Mittel (38, 70) zur Erzeugung eines Gate-Impulses, der umgekehrt proportional in seiner Länge zur Wiederholfrequenz des Signals (f.) ist,

Gatter-Schaltungsmittel (20, 74) zum Empfang des Signals (±2) und des Gate-Impulses und zur Ausgags eines Teils des Signals (f^), welches sich entsprechend der Länge des Gate-Impulses verändert, wobei die Gatter-Schaltungsmittel (20, 74) auf den Gate-Impuls ansprechen,

Mittel (102, 72) zur Synchronisierung der Lieferung des Gate-Impulses und des Signals (f~) an die Gatter-Schaltungsmittel, und : ,

Ausgangsmittel (21) zum Empfang des erwähnten Teils.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel (18) folgendes aufweisen:

Frequenzteilermittel (38) zum Empfang des Signals (f.) und zur Erzeugung eines Gate-Impulses, proportional in der Lange zu acx Zeit zwischen N Wiederholungen von (f-), und

Mittel (26, 42, 44) zur Erzeugung eines Zählerstands, proportional zu diesem Gate-Impuls.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Mittel (18) folgendes aufweisen: :

Taktraitte.] (22) zur Erzeugung von Taktsignalen mit einer Frequenz oder Rate größer als (f-,) und (f_?), ..."

Mittel (26) zur Speicherung der Taktsignale für eine Periode proportional zur Länge des Gate-Impulses, und .

Mittel (40) zur Lieferung des Gate-Impulses an die Erzeugungsmittel (26, 42, 44).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Synchronisiermittel (102, 72) eine bistabile Schaltung aufweisen, gekoppelt mit mindestens einem Eingang der Gate-Sehältüngsmittel (20, 74) und mit Eingängen zum Empfang der Gate-Impulse und des Signals f„.
5. Vorrichtung zur Erzeugung einer Ausgangsgröße (f_fi) ansprechend auf eine gemessene Quantität, wobei folgendes vorgesehen ist:

ein erstes Abfühlelement (10) mit einer vorgewählten elektrischen Charakteristik und ausgesetzt gegenüber der gemessenen Quantität und einer äußeren Quantität und zur Erzeugung eines ersten Signals "(f..) von sich proportional änderndem Wert entsprechend der gemessenen Quantität und der erwähnten äußeren Quantität,

ein zweites Abfühlelement (12) mit einer gleichen elektrischen Charakteristik wie das erste Abfühlelement (10) und ausgesetzt gegenüber den gemessenen und äußeren Quantitäten und zur Erzeugung eines zweiten Signals (f~) von sich proportional änderndem Wert entsprechend der gemessenen

Quantität und der äußeren Quantität, wobei jedes der Abfühlelemente (10, 12) derart konditioniert ist, daß es in gleicher Weise auf die äußere Quantität aber in nicht gleicher Weise auf die gemessene Quantität anspricht, und

Schaltungsmittel (18) zum Empfang der ersten und zweiten Signale und zur Erzeugung eines Ausgangssignals (f ') an einem Ausgang (21) proportional zum Verhältnis der erwähnten Signale.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das erste Signal

(f..) eine elektrische Signalquantität von sich verändernder Frequenz ist und wobei sich das zweite Signal (f„) eine elektrische Signalquantität von sich verändernder Frequenz ist. .
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schaltungsmittel (18,). Frequenzteilemittel (38) aufweisen, um clas erste Signal (f.,) zu empfangen und ein Gate-Signal zu erzeugen, und wobei Gatter-Mittel (29) vorgesehen sind, um das zweite Signal (f₂) ^zu dem Ausgang (21.) zu übertragen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Frequenzteilermittel (38) eine erste Ausgangsposition (QtO) und eine zweite Ausgangsposition (Q11) aufweisen, die eine Zeitperiode repräsentieren, welche sich mit der Frequenz des ersten Signals (^₁) ändert und wobei die Schaltungsmittel (18) Rückstellschaltungsmittel (26, 58) aufweisen, um die Frequenzteilermittel (38) rückzustellen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit MuItiplexermitteln (G1, G2, 30) zum alternativen Anlegen der ersten und zweiten Signalgrößen an die Logik-Schaltungsmit.tel (18).

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10. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die äußere Größe eine Umgebungsgröße ist, und wobei die Abführelemente (10, 12) dazu geeignet sind, um im gleichen Sinn auf die Umgebungsgroße und im entgegengesetzten Sinn auf die gemessene Größe anzusprechen, wobei die Ausgangsgröße bei Änderungen der Umgebungsgröße konstant bleibt und sich mit Änderungen der gemessenen Größe verändert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5 mit Mitteln (64) zur Veränderung der Frequenzen der ersten und zweiten Signale (f., f~), proportional zu den gemessenen und äußeren Quantitäten i
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wöbe?- die Mittel (64) zur Veränderung der Frequenzen der ersten und zweiten Signale (f ', f~) ein Paar von Oszillator-Schaltungen (66, 68) jeweils zwischen den Schaltungsmitteln (18) und den ersten und zweiten Abfühlelementen (10, 12) aufweisen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Schaltungsmittel (18) Frequenzteilermittel (70) aufweisen, um das erste Signal (f.) zu empfangen und ein Gate-Signal zu erzeugen, und zwar mit einer Frequenz, die ein zeitdividiertes Vielfaches der Frequenz des ersten Signals (f.,) ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Schaltungsmittel (18) eine bistabile Schaltung (82) umfassen, die folgendes aufweist:

einen ersten Eingang (84) , gekoppelt mit einer der- Oszillator-Schaltungen (68) und geeignet zum Empfang des zweiten Signals (f ~) ,

einen zweiten Eingang (82), gekoppelt mit den Frequenzteilermitteln (70) und geeignet zum Empfang des Gate-Signals, und

Ausgangsmittel (86) zum Ausgeben des Gate-Signals infolge der Frequenz des zweiten Signals (f^), wobei die Schaltungsmittel (18) ein Gate (74) umfassen, welches ein Paar von Eingängen besitzt, die jeweils mit den Ausgangsmitteln (86) und mit der anderen der Oszillator-Schaltungen (68) gekoppelt sind und zur Erzeugung des Ausgangssignals (fJ geeignet sind.
15. Verfahren zur Ableitung eines Signals, welches bezüglich einer äußeren Quantität stabilisiert ist, aber Änderungen in einer gemessenen Quantität repräsentiert, wobei folgendes vorgesehen ist:

(A) Erzeugung einer ersten Signalquantität (f..), die sich in gleicher Weise mit sowohl der gemessenen Quantität als auch der äußeren Quantität ändert,

(B) Erzeugung einer zweiten Signalquantität (f,,)> die sich in nicht gleicher Weise infolge der gemessenen Signalquantität und in gleicher Weise mit. der äußeren Quantität ändert,

(C) Erzeugung eines Gate-Signals, welches umgekehrt proportional in seiner Dauer zur Frequenz der ersten Signalquantität (f.) ist,

(D) Synchronisierung der zweiten Signalquantität (f'r) mit dem Gate-Signal,

(E) sodann gleichzeitiges Empfangen des Gate-Signals und der zweiten Signalquantität und

(F) Erzeugung eines Gate-getasteten Ausgangssignals

(f_fi) proportional zum Verhältnis zwischen den ersten und zweiten Signalquantitäten bei gleichzeitigem Empfang des Gate-Signals und der zweiten Signalquantität (f ~) .
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei folgendes vorge-:. sehen ' ist:

(G) Verzögerung des Empfangs der zweiten Signalquantität (f_?) für eine Dauer im wesentlichen gleich der Zeitperiode, die erforderlich ist, um den Schritt (D) durchzuführen.