DE3209529A1

DE3209529A1 - Bezueglich drift und nicht-linearitaet kompensierter, intervallausdehnender zeitgeber

Info

Publication number: DE3209529A1
Application number: DE19823209529
Authority: DE
Inventors: Mishio Osato Saitama Hayashi
Original assignee: Takeda Riken Industries Co Ltd
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1981-03-16
Filing date: 1982-03-16
Publication date: 1982-09-23
Also published as: JPS57151888A; DE3209529C2; US4523288A

Description

3209523

Be sehre ibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zeitgeber zum Messen eines Zeitintervalls, indem beispielsweise Taktimpulse gezählt werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Zeitintervall-Meßeinrichtung, mittels der ein Zeitintervall mit hoher Genauigkeit dadurch gemessen wird, daß ein Bruchteil der Taktperiode ausgedehnt wird/ um eine Kompensation bezüglich Drifterscheinungen und Nicht-Linearitäten zu erhalten»

Zum Messen eines Zeitintervalls ΔΤ wird ein Zeitintervall gemessen, welches der Addition von ΔΤ und einer Konstanten ηΤ« entspricht (n ist eine positive ganze Zahl, und T- ist ein Festwert), nachdem eine Ausdehnung mit einer festen Geschwindigkeit erfolgte, und es werden konstante Zeitintervalle (n + DTq und nT_Q gemessen, nachdem diese in ähnlicher Weise mit der erwähnten festen Geschwindigkeit ausgedehnt wurden. Unter Verwendung der Meßergebnisse der Zeitintervalle ΔΤ + nT_Qf (n + 1)T_Q und nT_Q wird der folgende Ausdruck berechnet;

(n + DT₀ - nT₀

Durch eine solche Intervallausdehnung können Meßergebnisse mit hoher Genauigkeit erzielt werden. Ferner kann

3Q durch Ausdehnen des Zeitintervalls, dem der Festwert nT_Q in der geschilderten Weise hinzugefügt ist, selbst dann eine lineare Ausdehnung erfolgen, wenn das Zeitintervall ΔΤ sehr kurz ist und wenn die Ausdehnungskennlinie der Intervallausdehnungseinrichtung in einem schmalen Eingangs-Zeitintervallbereich nicht-linear ist. Selbst wenn die

οί ·*■ · <*

Ausdehnungseinrichtung einer Temperaturdrift ausgesetzt ist, wird der Driftanteil durch die Berechnung des obigen Ausdrucks eliminiert, wodurch eine genaue Messung gewährleistet ist. Eine solche Zeitintervall-Meßeinrichtung ist zum Beispiel in der DE-PS 28 55 819 (erteilt am 21. Januar 1981) beschrieben. Mit dieser bekannten Intervallausdehnungseinrichtung werden die erwähnten Zeitintervalle AT₁ + nT₀, (η + 1)T- und nT_Q jeweils durch einen herkömmlichen Integrator in Spannungen umgesetzt,

Ί0 welche in individuellen Spannungshalteschaltungen gehalten werden. Eine Übereinstimmung zwischen den jeweiligen in den Halteschaltungen gespeicherten Spannungen und dem integrierten Ausgangssignal eines Integrators, dessen Integrationsrate geringer ist als die des erwähnten Integrators, wird ermittelt. Die Zeitdauer zwischen dem Beginn der Integration durch den letztgenannten Integrator und der Erfassung der Übereinstimmung wird als ein für das ausgedehnte Zeitintervall repräsentatives Ausgangssignal abgegeben. Da bei der bekannten Anordnung drei Spannungshalteschaltungen verwendet werden, führen Abweichungen in deren Kennlinien aufgrund von Temperaturschwankungen und Alterungserscheinungen zu Meßfehlern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zeitintervall-Meßeinrichtung 2u schaffen, die durch .Schwankungen der umgebungstemperatur und durch Alterungserscheinungen nicht abträglich beeinflußt wird. Es soll weiterhin eine Einrichtung geschaffen werden, die eine Vereinfachung der Steuerschaltung und anderer Schaltungselemente ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Gemäß der Erfindung wird also eine feste Spannung durch einen ersten Integrator während einer gegebenen

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Zeitdauer, das heißt während eines der Zeitintervalle ΔΤ + nT_Q, (n + 1)T_Q und nT_Q, integriert. Dann wird die Festspannung von einem zweiten Integrator integriert, und zwar mit einer geringeren Integrationsrate als beim ersten Integrator. Die integrierten Ausgangssignale des ersten und zweiten Integrators werden verglichen, um eine Übereinstimmung dieser Größen festzustellen= Die Zeitdauer zwischen dem Beginn der Integration durch den zweiten Integrator und dem Feststellen der (Jberein-Stimmung ist ein für das ausgedehnte Zeitintervall repräsentatives Ausgangssignal. Dieser Vorgang wird für jedes der Zeitintervalle ΔΤ + nT_n/ (η + 1)T und nT_n

U Q Ό

ausgeführt, und im Gegensatz zu der bekannten Einrichtung ist man nicht auf Spannungshalteschaltungen angewiesen» Folglich arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung ohne einen solchen Unsicherheitsfaktor, der bei der oben beschriebenen Einrichtung durch die Streuung der Kennlinien der Spannungshalteschaltungen hervorgerufen wird-

Der erste und zweite Integrator werden folgendermaßen gesteuert: Ein bezüglich eines Taktimpulses um ΔΤ- verschobener Impuls gelangt an einen ersten Schaltsignalgenerator, um diesen zu triggern und ein erstes Schaltsignal zu erzeugen. Durch das erste Schaltsignal beginnt der erste Integrator mit dem Integrieren, Das erste Schaltsignal treibt eine Verzögerungseinrichtung, um ein mit einem Taktsignal synchronisiertes Ausgangssignal zu erzeugen, welches um die Zeit nT~ oder (η ψ 1)T_fi nach Maßgabe des Zustands des AusgangsSignaIs der Ablaufsteuerung verzögert ist. Zu Beginn der Integration wird eine Verzögerung um die Zeit nT» ausgeführte und demzufolge erhält man ein verzögertes Ausgangssignal AT₁ -s- nT_Q, Angestoßen durch das Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung erzeugt ein zvyeiter Schaltsignalgenerator ein zweites Schaitsignal, durch das der Eingang des ersten

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Integrators abgeschaltet wird. Dessen bis dahin erhaltener integrierter Wert wird festgehalten, und die Integration durch den zweiten Integrator wird durch das zweite Steuersignal begonnen. Am Ende des zweiten Schaltsignals wird die Ablaufsteuerung fortgeschaltet, und ein taktsynchroner Triggergenerator wird getriggert. Der taktsynchrone Triggergenerator liefert entsprechend dem Zustand des Ausgangssignals der Ablaufsteuerung einen Triggerimpuls, und durch diesen Triggerimpuls wird der «jrate Schaltsignalgenerator erneut angestoßen. Dann wiederholen sich die oben beschriebenen Vorgänge, diesmal liefert die Verzögerungseinrichtung jedoch ein um (n + 1)T_Q verzögertes Ausgangssignal, und wenn das erste Schaltsignal erzeugt wird, liefert die Verzögerungseinrichtung ein um nT_Q verzögertes Ausgangssignal.

Auf diese Weise werden nacheinander die Zeitintervalle AT₁ + nT_Q, (η + 1) T_Q und nT_Q erzeugt, und die Schaltsignale zum Steuern des ersten und zweiten Integrators werden durch eine relativ einfache Schaltungsanordnung erhalten. Ferner werden die drei Spannungshaiteschaltungen im Gegensatz zum Stand der Technik nicht benötigt. Folglich kann die Intervall-Meßeinrichtung nach der Erfindung in ihrer Gesamtheit vereinfacht werden.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung einer herkömmlichen Zeitintervall-Meßein

richtung,

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm zum Veranschaulichen der herkömmlichen Zeitintervall-Meßeinrichtung,

Pig. 3 ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zeitintervall-Meßeinrlchtung, wobei eine spezielle Ausgestaltung einer Zeitintervall-Ausdehnungseinheit dargestellt ist_p

welche den hauptsächlichen Teil der Einrichtung bildet,

Fig. 4 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der in Fig. 3 dargestellten

Einrichtung,

Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zeitintervall-Meßeinrichtung,

Fig. 6 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung

der Arbeitsweise des in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels,
20

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar angewandt bei der Messung eines relativ langen Zeitintervalls,
25

Fig. 8 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 7 _β und

Fig. 9 ein Schaltungsdiagramm einer modifizierten

Ausführungsform der Zeitintervall-Äusdohnungseinheit.

Im Folgenden soll zunächst eine Schaltung nach dem Stand der Technik beschrieben werden. Beispielsweise werden

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Taktimpulse mit einer Periodendauer T₀ gemäß Fig. 1B für ein zu messendes Zeitintervall Tx gemäß Fig. 1A über eine Gatterschaltung gegeben, um dadurch ein Gatter-Ausgangssignal· gemäß Fig. 1C zu erhalten. Dann werden N der auf diese Weise ausgeblendeten Taktimpulse gezählt. Gleichzeitig werden ein Zeitintervall AT₁ zwischen dem Anfang der zu messenden Zeit Tx und dem nächstfolgenden Taktimpuls gemäß Fig. 1D sowie ein Zeitintervall AT₂ zwischen dem Ende der Zeit Tx und dem nächstfolgenden Taktimpuls gemäß Fig. 1D erfaßt. Dann werden diese erfaßten Zeitintervalle AT₁ und AT₂ gemessen, indem Taktimpulse verwendet werden, deren Frequenz ausreichend größer ist als diejenige der Taktimpulse gemäß Fig. 1B, oder nachdem die Zeitintervalle ausgedehnt worden sind. Aus diesen Meßwerten ergibt die Berechnung NT_n + AT₁ - AT₀

U I JL

mit hoher Genauigkeit einen Wert des Zeitintervalls Tx.

Obwohl die Zeitintervalle AT₁ und AT₀ sehr kurz sind, können sie in diesem Fall mit hoher Genauigkeit gemessen werden, weil eine oben erwähnte Zeitausdehnungsschaltung vorgesehen ist, deren Aufbau billig ist. Wenn die Zeitintervalle AT₁ und AT₀ jedoch Werte in dem Bereich von 0 bis T_ annehmen, und wenn es sich um sehr kurze Zeitintervalle in der Nähe von 0 handelt, besteht die Möglichkeit, daß sie in einem nicht-linearen Bereich der Wandlerkennlinie eines Zeit-Spannung-Umsetzers liegen, der für die Ausdehnung der Intervalle verwendet wird. Ferner kann auch nicht darüber hinweggesehen werden, daß die Wandlerkennlinie des Zeit-Spannung-Umsetzers Einflüssen der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Im Hinblick auf die obigen Schwierigkeiten wurde in der erwähnten deutschen Patentschrift vorgeschlagen, das Zeitintervall AT₁ beispielsweise dadurch zu messen, daß drei Impulse wie die in Fig. 1F gezeigten Impulse erzeugt wurden, das heißt, ein Impuls einer Dauer von

AT₁ + ηΤ₀ (η = 1 in Pig. 1F), ein Impuls einer konstanten Dauer (n + DT₀, die langer ist als die konstante Dauer nT_Q, und ein Impuls der konstanten Dauer nT_Q, daß die Dauern dieser Impulse nach ihrer Ausdehnung gemessen wurde und daß dann der folgende Ausdruck aus den gemessenen Werten berechnet wurde:

(AT₁ + η T₀) - ηΤ₀

^{(η + 1)τ}ο - ^ητο

Bei der herkömmlichen Einrichtung erfolgt diese zeitliche Ausdehnung folgendermaßen: Wie in Fig. 2 dargestellt ist,

•ic wird eine am Anschluß 13 anstehende Festspannung -J-E.. durch einen Integrator 11 integriert, dessen Rücksetzschalter 12 in dem Zeitintervall AT₁ + nT_Q geöffnet ist, und das integrierte Ausgangssignal gelangt über einen Umschalter 14 in eine Halteschaltung 15, wo es gespeichert wird.

2Q Dann wird der Umschalter 14 auf eine Halteschaltung 16 gelegt, und die oben erwähnte Festspannung +E₁ wird integriert, wobei der Rücksetzschalter 12 für das Zeitintervall (N + 1)T_Q geöffnet wird, und das integrierte Ausgangssignal wird in der Halteschaltung 16 gespeichert.

Als nächstes wird der Umschalter 14 an die andere Halteschaltung 17 gelegt, und das auf ähnliche Weise durch Integrieren der Festspannung +E- im Zeitintervall nT_Q erhaltene Signal wird in der Halteschaltung 17 gespeichert» Danach gelangt das Ausgangssignal von der Halteschaltung 15 über einen Umschalter 18 an einen Eingang eines Vergleichers 19, und eine Festspannung +E₁ am Anschluß 23 wird durch einen Integrator 21 integriert, dessen Rücksetzschalter 22 geöffnet gehalten wird« Das integrierte Ausgangssignal gelangt an den anderen Eingang des Vergleichers 19, um eine Übereinstimmung zwischen den beiden

Eingangssignalen zu erfassen. In diesem Fall wird die Integrationszeitkonstante des Integrators 21 größer gewählt als die Integrationszeitkonstante des Integrators 11; der Integrator 21 vollzieht die Integration also mit einer geringeren Geschwindigkeit oder Rate als der Integrator 11. Auf diese Weise erhält man das Zeitintervall zwischen dem Beginn der Integration durch den Integrator 21 bei an der Halteschaltung 15 liegendem Schalter 18 und der Erfassung einer Übereinstimmung durch den Vergleicher 19 als eine Ausdehnung des Zeitintervalls AT₁ + ηΤ₀. In ähnlicher Weise erhält man ausgedehnte Ausgangssignale der Zeitintervalle (n + 1)T_Q und ^Tq, indem die Halteschaltungen 16 und 17 über den Schalter 18 an den Vergleicher 19 gelegt werden.

Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Schaltung unterliegen die Kennlinien der Halteschaltungen 15, 16 und jedoch Alterungseffekten und Schwankungen aufgrund von Umgebungstemperaturänderungen, insbesondere unterliegt die Offsetspannung Schwankungen, wodurch eine Streuung der Kennlinien der Halteschaltungen 15, 16 und 17 erfolgt, was zu Meßfehlern führt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zeitintervall-Meßeinrichtung. Ein Integrator 25 enthält einen Operationsverstärker 26, einen Eingangsintegrationswiderstand 27, der an den Eingang des Operationsverstärker 26 angeschlossen ist, einen Integrationskondensator 28, der zwischen Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers 26 liegt, und einen Rücksetzschalter 29, der parallel zum Integrationskondensator 28 geschaltet ist. Ein weiterer Integrator 31 weist eine niedrigere Integrationsrate oder -geschwindigkeit auf als der oben erwähnte Integrator 25. Der Integrator besitzt einen Operationsverstärker 32, einen Eingangs-Inte-

.:.ν· *^:.^:-.^:" ^:.Λ:λ 3209523

«j grationswiderstand 33, einen Integrationskondensator 34 und einen Rücksetzschalter 35, ähnlich wie der Integrator 25. Die Ausgangssignale der Integratoren 25 und 31 werden durch einen Vergleicher 36 verglichen, um eine Überein-Stimmung dieser beiden Eingangssignale des Vergleichers zu erfassen. Eingangsseitig liegt der Integrator 25 über einen Schalter 37 an einem Anschluß 38, der mit einer Festspannung E.. gespeist wird, während der Integrator 31 eingangsseitig direkt an den Anschluß 38 angeschlossen

•jQ ist. Da bei diesem Ausführungsbeispiel die zu integrierende Spannung, das heißt die Eingangsspannung, für beide Integratoren 25 und 31 denselben Wert hat, wird die Integrationsrate des Integrators 31 niedriger gemacht als diejenige des Integrators 25, indem die Integrations-

^c zeitkonstante des ersteren Integrators größer gemacht wird als die des letzteren. Dies kann auch dadurch erreicht werden, daß die Eingangsspannung des Integrators 31 absolut gesehen kleiner gemacht wird als die Eingangsspannung des Integrators 25, oder dadurch, daß unter-

2Q schiedliche Integrationszeitkonstanten und unterschiedliche Eingangsspannungen für die Integratoren 25 und 31 kombiniert werden.

um ein Zeitintervall T (siehe Fig, 4A) auszudehnen„ werden die Schalter 29, 35 und 37 zunächst eingeschaltet, und die Spannung E- am Anschluß 28 wird durch den Integrator 25 integriert, wobei nur sein Rücksetzschalter für die Zeit T geöffnet wird, um das in Fig» 4B dargestellte Ausgangssignal zn erhalten. Am Ende der Zeit T werden 3Q der Schalter 37 und der Rücksetzschalter 35 geöffnet, und die Spannung E₂ wird durch den Integrator 31 integriert j, um das in Fig. 4C dargestellte Ausgangssignal zu erhalten. Wenn dieses integrierte Ausgangssignal mit der Ausgangsspannung -V. des Integrators 25 üboreinstimmt, während das Ausgangssignal des Vergleichers 36 inver-

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* ■>

■j ι υ a b ζ a

-j tiert, und es bekommt den in Fig. 4D dargestellten hohen Pegel. Die Zeitdauer aT zwischen dem Beginn der Integration durch den Integrator 31 und dem Invertieren des Ausgangssignals des Vergleichers 36 stellt eine Ausdehnung des Zeitsignals T dar. In diesem Fall kann der Integrator 31 auch eine geeignete Zeit nach der Integration durch den Integrator 25 betätigt werden.

Die oben erwähnten Zeitintervalle ΔΤ + nT_Q, (n + 1) T_Q IQ und nT„ werden nacheinander durch Steuern der Schalter 29, 35 und 37 durch eine Steuerung 1 wie im Fall des Zeitintervalls T ausgedehnt, und die ausgedehnten Zeitintervalle werden jeweils durch an einem Zähler 2 für jedes Zeitintervall gegebenen Taktimpulse gemessen. Die ^c Meß- oder Zählwerte des Zählers 2 gelangen an einen Rechner 3, um den obigen Ausdruck (1) zu berechnen. Das berechnete Ergebnis wird mittels einer Anzeige 4 angezeigt.

2Q Selbst wenn also die Kennlinien der Zeitintervall-Ausdehnungselemente gemäß Fig. 3, das heißt, die Integratoren 25 und 31 und der Vergleicher 36 Einflüssen durch Alterung und Umgebungstemperaturschwankungen ausgesetzt sind, so werden diese Einflüsse durch die Berechnung des Ausdrucks

(1) eliminiert, weil der Ausdruck der Zeitintervalle ΔΤ + nT_Q, (n + 1)T_Q und nT_Q demselben Einfluß unterliegt.

Als nächstes soll anhand von Fig. 5 ein spezielles Beispiel der erfindungsgemäßen Zeitintervall-Meßeinrich-

3Q tung beschrieben werden. An einen Anschluß 41 gelangt ein Rücksetζimpuls, wie er zum Beispiel in Fig. 6A gezeigt ist. Dieser Impuls gelangt über ein ODER-Glied 42 an die Rücksetzanschlüsse von D-Flipflops 43/ 44 und 4 5 sowie an einen Rücksetzanschluß eines Zählers 46.

An einen Datenanschluß jedes der Flipflops 43 und 44

gelangt stets ein Eingangssignal hohen Pegels "1" . Der Rücksetzimpuls vom Anschluß 41 gelangt außerdem über ein ODER-Glied 47 an einen Voreinstellanschluß eines D-Flipflops 48, und dieser Rücksetzimpuls gelangt weiterhin an ein Schieberegister 49» Demzufolge werden die Q-Ausgänge der Flipflops 43 und 44 niedrig, während die Q-Ausgänge des Flipflops 48 ebenfalls niedrigen Pegel erhält. Die Ausgänge Qa, Qb und Qc des Schieberegisters 49 werden auf "1", ¹¹O" bzw. "0" gesetzt. In

-JO diesem Zustand gelangen die Ausgangssignale der Flipflops 43 und 44 über einen Pegelumsetzer 51 an die Rücksetzschalter 29 und 35 der Integratoren 25 und 31, um sie im EIN-Zustand zu halten, was die Integratoren 25 und 31 im Rücksetζzustand hält. Durch das Ausgangssignal des

Ί5 Flipflops 44 wird der Schalter 37 im EIN-Zustand gehalten. Die Schalter 29 und 35 sind jeweils FET-Schalter, die durch ein Eingangssignal hohen Pegels am Gate eingeschaltet werden, und der Schalter 37 ist ein FET-Schalter von der Art, die durch ein Eingangssignal niedrigen Pegels aiii Gate eingeschaltet werden.

Nach dieser Initialisierung oder Voreinstellung gelangt, wenn ein den Beginn des zu messenden Zeitintervalls Tx (siehe Fig. 1} anzeigender Impuls an einen Anschluß 52 gelegt wird, beispielsweise gemäß Fig. 6B im Zeitpunkt t₁, dieser Impuls über ein ODER-Glied 53 an einen Triggeranschluß des Flipflops 43, um dessen Ausgangssignal auf hohen Pegel zu bringen, wie es in Fig. 6D dargestellt ist. Als Folge wird der Rücksetzschalter 29 des Integrators 25 ausgeschaltet, so daß der Integrator 25 mit dem Integrieren der Spannung am Anschluß 38 beginnen kann. Das integrierte Ausgangssignal nimmt, nach ur.'. nach gemäß Flg. 6F ab. Das hohe Q-Ausgangssignal vom Flipflop 43 gelangt an den Datenanschluß des Flipflops 45, welches gleichzeitig an seinem Triggeranschluß Taktimpulse gemäß

3 2 u y b ι y

Fig. 6C empfängt. Folglich bekommt der Ausgang des Flipflops 45 durch einen unmittelbar an den Zeitpunkt t. anschließenden Taktimpuls hohen Pegels, und dieses Ausgangssignal hohen Pegels sowie das Ausgangssignal des Flipflops 43 wird ein UND-Glied 56 geöffnet, welches den Durchlauf von Taktimpulsen vom Anschluß 54 gestattet. Die Ausgangssignale des UND-Glieds 56 werden durch den Zähler 46 gezählt.

In dem oben unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die erwähnte Zahl η zu Zwei gewählt, und der Zähler 46 ist so ausgelegt, daß er ein Ausgangssignal abgibt, wenn jeweils bis Zwei gezählt wurde. Das heißt: Nach dem Zählen von zwei Takt, impulse η liefert der Zähler 46 sein Ausgangssignal an das Flipflop 44, um es zum Zeitpunkt t~ zu setzen und sein Ausgangssignal auf hohen Pegel zu bringen, wie es in Fig. 6E gezeigt ist. Durch dieses Ausgangssignal hohen Pegels werden die Schalter 35 und 37 ausgeschaltet, um den Integrationsvorgang des Integrators 25 zu stoppen und an seinem Ausgang eine durch die bis dahin erfolgte Integration erhaltene Spannung V₁ zu halten, wie es zum Beispiel in Fig. 6F gezeigt ist. Weiterhin wird im Zeitpunkt t₂ der Rücksetzschalter-35 des Integrators ausgeschaltet, damit der Integrator mit dem Integrieren beginnen kann. Sein Ausgangssignal nimmt nach und nach ab, wie es in Fig. 6G dargestellt ist. Die Ausgangssignale der Integratoren 25 und 31 werden von dem Vergleicher 36 verglichen.

Das Ausgangssignal des Flipflops 44 gelangt zu UND-Gliedern 57, 58 und 59, die von dem Schieberegister die Signale von den Ausgängen Qa, Qb bzw. Qc empfangen. Darüberhinaus gelangen Taktimpulse, die beispielsweise um eine Größen-Ordnung schneller sind als die Taktimpulse vom Anschluß

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54 (siehe Pig. 6K),von einem Anschluß 61 an die UND-Glieder 57, 58 und 59, denen der Anschluß 61 gemeinsam ist. Folglich weist im Anfangszustand der Qa-Ausgang des Schieberegisters 49 hohen Pegel auf, und nach dem Zeitpunkt t₂ erhält das Ausgangssignal des Fliflops 44 hohen Pegel, so daß das Gatter 57 geöffnet wird und die schnellen Taktintpulse vom Anschluß 61 gemäß Fig. 6L hindurchläßt. Nach dem Erfassen, das das Ausgangssignal des Integrators 31 den Wert V₁ erreicht hat, lioforb der Vergleicher 36 ein Ausgangssignal hohen Pegels, welches zum ODER-Glied 4 2 geführt wird und die Flipflops 43, 44 und 45 sowie den Zähler 46 zurücksetzt. Durch das Zurücksetzen des Flipflops 44 wird der Schalter 35 eingeschaltet, und das Ausgangssignal des Integrators 31 erhält sofort niedrigen Pegel, wie es in Fig. 6H dargestellt ist. Im Zeitpunkt t₃, wenn das Ausgangssignal des Flipflops 44 niedrigen Pegel hat, wird ein Zeitgeber 62 getrieben, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches für eine feste Zeitdauer Ta auf hohem Pegel bleibt und im Zeitpunkt t* auf niedrigen Pegel zurückfällt (siehe Fig. 61). Durch die Änderung des Ausgangssignals dos Zeitgebers 62 von hohen auf niedrigen Pegel im Zeitpunkt t₄ wird das Schieberegister 49 veranlaßt, mit dem Qa-Ausgang auf niedrigen Pegel zu gehen, während der Qb-Ausgang hohen Pegel erhält. Weiterhin gelangt das Ausgangssignal des Zeitgebers 65 zum Flipflop 48, und da nun das Signal niedrigen Pegels am Qc-Ausgang des Schieberegisters 49 an den Datenanschluß des Flipflops 48 gelangt, steigt dessen Q-Ausgang im Zeitpunkt t^

gemäß Fig. 6J auf hohen Pegel an. Durch das hohe Ausgangssignal des Q-Äusgangs des Flipflops 48 wird ein Gatter 43 geöffnet^ und ein vom Anschluß 54 unmittelbar nach dem Zeitpunkt t, kommender Taktimpuls gelangt über die Gatter 63 und 53 £um Flipflop 43, so daß dessen Ausgangssignal im Zeitpunkt t^ hohen Pegel annimmt, wie

in Fig. 6D gezeigt ist. Auf diese Weise nimmt der Integrator 25 gemäß Fig. 6F das Integrieren wieder auf. Durch den nächsten vom Anschluß 54 kommenden Taktimpuls erhält das Ausgangssignal des Flipflops 4 5 hohen Pegel, und somit gelangt der nächstfolgende Taktimpuls vom Anschluß 54 über die Gatter 56 und 4 7 zu dem Voreinstellanschluß des Flipflops 48, um es zu setzen, und sein Q-Ausgang geht auf niedrigen Pegel, wie es in Fig. 6J gezeigt ist. Gleichzeitig werden die Taktimpulse vom Anschluß 54 durch den Zähler 46 gezählt. Wenn der Zähler 46 also zwei Taktimpulse zählt, wird das Flipflop 44 im Zeitpunkt t_g gesetzt und gibt gemäß Fig. 6E ein Signal mit hohem Pegel ab, was den Integrator 31 veranlaßt, mit dem Integrieren zu beginnen. Das integrierte Ausgangssignal des Integrators 31 verringert sich nach und nach gemäß Fig. 6G. Da der Qb-Ausgang des Schieberegisters zu Beginn des Integrationsvorgangs "1" war, wird das Gatter 58 durch das Ausgangssignal des Flipflops 44 geöffnet, um die sehr schnellen Taktimpulse vom Anschluß 61 nach dem Zeitpunkt tg hindurchzulassen.

Nach dem übereinstimmen des Ausgangssignals des Integrators 31 mit dem Ausgangssignal V~ des Integrators 25 erzeugt der Vergleicher 36 ein hohes Ausgangssignal im Zeitpunkt t_, wie es oben bereits beschrieben wurde; dieses Ausgangssignal gelangt über das Gatter 4 2 an die Flipflops 43, 44 und 4 5 und den Zähler 46, um diese zurückzusetzen. Folglich wird der Zeitgeber 62 getrieben und im Zeitpunkt

t_Q nach der Zeitdauer Ta, während der der Zeitgeber 62 ο

getrieben wurde, wird das Flipflop 48 getriggert. Gleichzeitig wird der Inhalt des Schieberegisters 49 verschoben, und der Qc-Ausgang des Schieberegisters erhält hohen Pegel, der zum Flipflop 45 gelangt, um es zu setzen. Im Zeitpunkt t„, wenn der nächste Taktimpuls von dem Anschluß 54 kommt, wird das Flipflop 43 gesetzt, um ein Signal hohen Pegels gemäß Fig. 6D abzugeben, und sein Ausgangs-

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signal gelangt an den Integrator 25, damit dieser gemäß Fig. 6E den Integrationsvorgang beginnt. Da das Ausgangssignal desFlipflops 43 hohen Pegel hat und da das Ausgangssignal des Flipflops 4 5 bereits durch den Qc-Ausgang des Schieberegisters 49 einen hohen Pegel erhalten hatte, gelangen Taktimpulse vom Anschluß 54 durch das Gatter 56. Nach dem Durchlauf von zwei Impulsen des Anschlusses 54 durch das Gatter 56 nach dem Zeitpunkt t„ liefert der Zähler 46 sein Ausgangssignal an das Flipflop 44, um es zu triggern und dadurch den Schalter 37 zu öffnen. Gleichzeitig wird der Integrator 31 veranlaßt, im Zeitpunkt t.. mit dem Integrieren zu beginnen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Gatter 59 geöffnet, um die schnellen Taktimpulse vom Anschluß 61 gemäß Fig. 6N hindurchzulassen. Wenn die Ausgangsspannung V₃ vom Integrator 25 und die Ausgangsspannung vom Integrator 31 zu dem Zeitpunkt übereinstimmen, liefert der Vergleicher 36 im Zeitpunkt t,. ₁ ein Ausgangssignal, durch welches die Flipflops 43 und 44 zurückgesetzt werden, wodurch das Gatter 29 geschlossen wird. Gleichzeitig damit wird auch der Zeitgeber 62 getrieben, so daß er ein Ausgangssignal abgibt, wie es in Fig. 61 dargestellt ist. Durch das Abfallen dieses Ausgangssignals wird das Flipflop 48 getrieben, da sein Datenanschluß jedoch das Ausgangssignal hohen Pegels vom Anschluß Qc des Schieberegisters 49 zu diesem Zeitpunkt empfängt, erhält der Ausgang Q des Flipflops 48 jetzt keinen hohen Pegel, und demzufolge werden die Taktimpulse vom Anschluß 54 daran gehindert, das Gatter 63 zu durchlaufen, wordurch der Anfangszustand erreicht wird.

In der oben beschriebenen Weise werden von den Gattern 57, 58 und 59 zu Beginn des gemäß Fig. 1 zu messenden Zeitintervalls Tx sehr schnelle Taktimpulse abgeleitet, deren Zahl den drei Zeitintervallen ΛΤ. + nT_Q, (n + I)T₀ und nT_Q entspricht. Weiterhin wird am Ende des Zoitinl:er-

vails Tx ein Triggerimpuls an den Anschluß 52 gelegt, wodurch die drei Zeitintervalle ΔΤ_ + nT_Q, (n + 1)T_Q und nT_Q entsprechend den oben erwähnten Intervallen automatisch in der zuvor beschriebenen Weise gemessen. Das Flipflop 43 in Fig. 5 bildet einen Schaltsignalgenerator, der ein Schaltsignal zum Steuern des Schalters 29 erzeugt. Das Flipflop 44 bildet einen Schaltsignalgenerator, der ein Schaltsignal zum Steuern der Schalter 35 und 37 erzeugt. Das Schieberegister 49 bildet eine Ablaufsteuerung zum Messen der Zeitintervalle ΔΤ. + nT_Q, (n + 1) T_Q und nT. in aufeinanderfolgender Weise . Schließlich bilden das Flipflop 45, das Gatter 56 und der Zähler 46 eine Verzögerungseinrichtung zum Erhalten eines mit einem Taktimpuls synchronisierten Ausgangssignals des Zeitintervalls nT_Q oder (n + I)T₀, nachdem das Flipflop 43 getriggert wurde. Die Verzögerung des Zeitintervalls nT„ oder (n + 1) T, hängt ab vom Ausgangszustand der Ablaufsteuerung 49. Weiterhin dienen das Flipflop 48 und die Gatter 4 7 und 63 als taktsynchronisierte Triggergeneratoren zum Triggern des Flipflops 43, wenn nicht das Flipflop 43 durch die Impulse vom Anschluß 52 getriggert wird. Dieser Triggergenerator wird durch das Ausgangssignal des Flipflops 44 über den Zeitgeber 62 getriggert. In Fig. 5 bilden die Teile außer den Integratoren 25 und 33/ dem Vergleicher 36 und dom Schalter 37 die Steuerung 1 gemäß Fig. 3, die die Zeitintervalle ΔΤ,- + nT_Q, (n + 1) T_Q und nT_Q in Abhängigkeit des Eingangsimpulses erzeugt und jeden Schalter steuert. Durch Auswahl der Ausdehnung

jedes der Zeitintervalle ΔΤ- + nT_Q, (n + 1)T_Q und nT_Q in hinreichend hohem Maße besteht die Möglichkeit, als Taktimpulse am Anschluß 61 solche Taktimpulse zu verwenden, die dieselbe Folgefrequenz haben, wie die Taktimpulse am Anschluß 54.

Als nächstes soll unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8

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die Messung des Zeitintervalls Tx gemäß Fig. 1a durch Verwenden des oben geschilderten Verfahrens zum Mt? s so η sehr kurzer Zeitintervalle beschrieben werden. Im Zeitpunkt t₁ gelangt ein Rücksetζimpuls, wie er zum Beispiel in Fig. 8A gezeigt ist, vom Anschluß 41 zur Zeitintervall-Meßeinrichtung, um diese in den Anfangszustand zu setzen. In diesem Zustand gelangt ein Impuls des zu messenden Zeitintervalls Tk gemäß Fig. 8D an einen Anschluß 68 eines Differentiators 69, dessen differenzierte

Ί0 AusgangssignaIe dem Ansteigen bzw. Abfallen des Eingangsimpulses entsprechen, wie dies in den Fig. 8C und 8D dargestellt ist. Die differenzierten Ausgangssignale gelangen an eine erste bzw. zweite Bruchteil-Meßeinheit 71 bzw. 72, die identisch aufgebaut sind, wie die in Fig. 5 dargestellte Meßschaltung. Folglich empfangen sie die Rückijofczimpulse vom Anschluß 41, die ersten Taktimpulse vom Anschluß 54 und die schnellen zweiten Taktimpulse vom Anschluß 61.

In der Bruchteil-Meßeinheit 71 werden Impulse der Zeitintervalle ΔΤ. + nT_Q, (η + 1)T_Q und nT_Q in der oben geschilderten Weise erzeugt, und die Anzahl der zweiten Taktimpulse entspricht jeweils der Dauer der erwähnten drei Intervalle. Diese Zahlenwerte werden an den Anschlüssen 65a, 66a und 67a erhalten, die den Ausgangsanschlüssen 65, 66 bzw. 67 in Fig. 5 entsprechen. Die Taktimpulse an den Anschlüssen 65a und 66a werden von (umkehrbaren) Auf-/ Ab-Zählern 73 bzw. 74 hochgezählt, während die Taktimpulse am Anschluß 67a von den Zählern 73 und 74 heruntergezählt werden. Das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 64a der Bruchteil-Meßeinheit 71, welches dem Ausgangssignal am Anschluß 64 des Flipflops 44 in Fig. 4 entspricht, gelangt an einen Triggeranschluß T eines Flipflops 55, x^elches vorab zurückgestellt wird, wobei ein Eingangssignal mit hohem Pegel "1" an dessen Datenanschluß D gelegt wurde.

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Der Q-Ausgang des Flipflops 75 erhält also gemäß Fig. 8H hohen Pegel durch das Ansteigen eines ersten Impulses (im Zeitpunkt t~ in Fig. 6E) vom Anschluß 64a, und das Ausgangssignal hohen Pegels gelangt an ein Gatter 76.

Andererseits wird ein Q-Ausgangssignal von einem Flipflop 77, welches zuvor durch den Rücksetzimpuls des Anschlusses 64 zurückgestellt wurde, als Eingangssignal hohen Pegels an das Gatter 76 gegeben, wie es in Fig. dargestellt ist. Gleichzeitig empfängt das Gatter 76 erste Taktimpulse gemäß Fig. 8E vom Anschluß 54. Demzufolge gelangen nach dem Zeitpunkt t₂ die ersten Taktimpulse durch das Gatter 76 (wie Fig. 8J), und sie werden von einem Zähler 78 gezählt.

In der zweiten Bruchteil-Meßeinheit 72 wird ein am Ende des Zeitintervalls Tx (Fig. 8D) erscheinender Impuls geliefert, durch den Impulse mit den Zeitdauern ΔΤ~ + nT_Q, (n + DTq und nT_Q erzeugt werden. Zweite Taktimpulse, deren Anzahl den Zeitdauern dieser drei Impulse entspricht, erscheinen an den Anschlüssen 65b, 66b und 67b, welche den Anschlüssen 65, 66 und 67 in Fig. 5 entsprechen. Dann werden wie im Fall der ersten Bruchteil-Meßeinheit 71 die von den Anschlüssen 65b und 66b gewonnenen Impulse durch umkehrbare Zähler 81 bzw. 82 heraufgezählt, und ihre Zählwerte werden dann durch die Impulse am Anschluß 67b heruntergezählt. Aus der zweiten Bruchteil-Meßeinheit 72 wird ein Ausgangssignal (Fig. 8G), welches aus einem am Ende des Zeitintervalls Tx erzeugten Impuls (Fig. 8D) resultiert, über einen Anschluß 64b, der dem Anschluß in Fig. 5 entspricht, an einen Triggeranschluß T des Flipflops 77 gelegt, und durch das Ansteigen des Ausgangssignals am Anschluß 64b wird das Eingangssignal hohen Pegels in das Flipflop 77 eingelesen, so daß dessen Q-Ausgang im Zeitpunkt t- niedrigen Pegel annimmt, wie in Fig. 81 dargestellt ist. Als Ergebnis wird das Zählen der

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•j ersten Impulse im Zähler 48 beendet.

Die Zählwerte n.. und n^ der Zähler 73 und 74, die Zählwerte n_ und n. der Zähler 81 und 82 und der Zählwert N

ς des Zählers 78 gelangen an eine arithmetische Arbeitsschaltung 83. In der zweiten Bruchteil-Meßeinheit 72 werden das Ausgangssignal des Zeitgebers 6 2 und das Ausgangssignal des Ausgangs Qc des Schieberegisters 49 durch das Gatter 89 (wie Fig. 5) UNDverknüpft und dessen Aus-

Q gangssignal (Fig. 8K) gelangt über einen Anschluß 91 an die arithmetische Arbeitsschaltung 83, um deren arithmetische Berechnung zu starten. In der arithmetischen Arbeitsschaltung 83 wird der Ausdruck

(_N

berechnet. Das Rechenergebnis stellt das gewünschte Zeitintervall Tx dar, und es wird auf einer Anzeige 84 dargestellt.

Mit der in Fig. 9 dargestellten Anordnung wird die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Integratoren 25 und 31 durch einen Differentialverstärker 87 verstärkt, und das verstärkte Ausgangssignal wird durch den Vergleicher 36 mit dem Nullpegel verglichen. Die Meßgenauigkeit kann dadurch erhöht werden, daß die Verstärkung des Differentialverstärkers 87 gesteigert wird. Die Erfindung ist nicht nur anwendbar beim Messen von Zeitintervallen, sondern auch beim Messen von Periodendauern und Frequenzen, indem die Reziprokwerte der Periodendauern verwendet werden.

Claims

BLUMBACH -WESER · BgftOEW^-KRiuft&R 3209529 ZWiRNER · HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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TAKEDA RIKEN KOGYO KABUSHIKIKAISHA 82/8726

32-1, Asahi-cho 1-chome, Nerima-ku, Dr/mü

Tokyo, Japan

Bezüglich Drift und Nicht-Linearität kompensierter, intervallausdehnender Zeitgeber

Patentansprüche

(y. Intervallausdehnender Zeitgeber zum Messen eines Zeitintervalls ΔΤ durch Messen eines Zeitintervalls AT + nT_Q, das heißt, der Summe des Zeitintervalls ΔΤ und eines konstanten Zeitintervalls nT« (η ist eine positive ganze Zahl, T„ ist ein Festwert), und konstanter Zeitintervalle (n + DT₀ bzw. nT₀, sowie durch Berechnen des Ausdrucks

(ΔΤ + nT_n) - nT_n

-10 Si —ü- χ T_n

(n ₊ DT₀ - nT₀

gekennze ichnet durch einen ersten Integrator zum Integrieren einer festen Spannung über eine gegebene Zeitdauer, einen zweiten Integrator zuiti Integrieren einer festen

München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Or. rer. nat. · E. Hoffmann Olpl.-Ing. Wiesbaden: P G. Blumbadi Dlpl.-Ing. · P. Bergen Prot.Dr. lur.Dlpl.-lng., Pal.-Ass., Pol -Anw.bis 197« · G. Zwirner Olpl.-Ing Dlpl.-W.-Ing.

Spannung (diese kann dieselbe sein wie die genannte feste Spannung, oder aber von dieser verschieden sein) mit einer kleineren Integrationsrate als der erste Integrator,

einen Koinzidenzdetektor der an die Ausgänge des ersten und zweiten Integrators angeschlossen ist, um eine Übereinstimmung zwischen den Integratorausgangssignalen zu erfassen,
eine Zeitintervall-Meßeinrichtung zum Messen des Zeit-

1Q Intervalls zwischen dem Beginn der Integration durch den zweiten Integrator und dem Erfassen einer Übereinstimmung durch den Koinzidenzdetektor, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des ersten und zweiten Integrators und der Zeitintervall-Meßeinrichtung,

Ί5 um den ersten Integrator unter Verwendung der Zeitintervalle ΔΤ + nT_Q, (n + DTq und nT_Q als gegebene Zeitdauer zu betätigen und dann den zweiten Integrator zu betätigen, um dadurch das Zeitintervall durch die Zeitintervall-Meßeinrichtung zu messen.
2. Zeitgeber nach Anspruch 1, gekennze ichn e t durch eine Konstantspannungsquelle und einen zwischen den ersten Integrator und die Konstantspannungsquelle gelegten Schalter zum Zuführen einer konstanten Spannung an den Integrator, wobei nach Beendigung der Integration durch den ersten Integrator der Schalter durch die Steuereinrichtung ausgeschaltet wird, um den integrierten Wert des ersten Integrators zu halten.
3. Zeitgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Koinzidenzdetektor ein Vergleicher ist, dem die Ausgangssignale des ersten und zweiten Integrators zugeführt werden, wobei die Änderung der Polarität des Vergleicher-Ausgangssignals die Erfassung einer Übereinstimmung bedeutet.

320952Ü
4. Zeitintervall-Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Koinzidenzdetektor einen Differentialverstärker aufweist zum Verstärken der Differenz zwischen den Ausgangs-Signalen des ersten und zweiten Integrators} und daß ein Vergleicher vorgesehen ist, um das Ausgangssignal des Differentialverstärkers mit dem Nullpegel· zu vergleichen, wobei die Übereinstimmung durch die Polaritätsänderung des AusgangsSignaIs des Vergleichers erfaßt wird.
5. Zeitgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennnzeichnet , daß die Steuereinrichtung einen ersten Schaltsignalgenerator aufweist, der durch einen um einen Taktimpuls bezüglich

-J5 des Zeitintervalls ΔΤ verschobenen Eingangs impuls getriggert wird, um ein erstes Schaltsignal zu erzeugen, welches den ersten Integrator veranlaßt, mit dem Integrieren zu beginnen/ daß eine Ablaufsteuerung vorgesehen ist zum Steuern der Abfolge der Messungen der Zeitintervalle ΔΤ + nT_Q, (n + 1)T_Q und nT_Q, daß eine Verzögerungseinrichtung vorgesehen ist, die durch das erste Schaltsignal getriggert wird, um eine Verzögerung des Zeitintervalls nT_Q oder (n + I)T₀ ^nach Maßgabe des Ausgangssignals der Ablaufsteuerung zu schaffen, daß ein zweiter Schaltsignalgenerator vorgesehen ist, der von dem Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung getriggert wird, um ein zweites Schaltsignal zu erzeugen, welches den Integriervorgang des ersten Integrators stoppt und den zweiten Integrator veranlaßt, den IntegrierVorgang zu

3Q beginnen, und daß ein taktsynchronisierter Triggergenerator vorgesehen ist, der von dem zweiten Schaltsignal getriggert wird, um nach Maßgabe des AusgangsSignaIs der Ablaufsteuerung ein Triggersignal für den ersten Schaltsignalgenerator zu erzeugen.
6. Zeitgeber nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zurücksetzen des ersten und zweiten Schaltsignalgenerators sowie der Verzögerungseinrichtung durch das Ausgangssignal des Koinzidenzdetektors.
7. Zeitgeber nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine UND-Verknüpfungseinrichtung, welche eine UND-Verknüpfung jedes Ausgangssignals der Ablauf-Ί0 steuerung mit dem Ausgangssignal des zweiten Schaltsignalgenerators bewirkt, um die ausgedehnten Ausgangssignale der Zeitintervalle ΔΤ + nT~, (η + 1)T_Q und nT_Q separat zu erhalten.
•|5 8. Zeitgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungseinrichtung einen Zähler aufweist, der jeweils bei Zählung von η Taktimpulsen ein Ausgangssignal abgibt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die steuert, ob die dem Zähler zugeführten Taktimpulse um einen Takt verzögert werden.
9. Zeitgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zum Messen eines relativ langen Zeitintervalls Tx einer Einrichtung vorgesehen ist zum Messen eines Zeitintervalls ΔΤ.. als das erwähnte Zeitintervall ΔΤ, und zwar zwischen dem Beginn des Zeitintervalls Tx bis zum Auftreten eines Taktimpulses unmittelbar danach, und zum Messen eines Zeitintervalls ΔΤ« zwischen dem Ende des Zeitintervalls Tx bis zum Auftreten eines Taktimpulses unmittelbar danach, daß eine Zähleinrichtung vorgesehen ist zum Zählen der Taktimpulse während eines dem Zeitintervall Tx entsprechenden Zeitintervalls, um einen Zählwert N zu erzeugen, und daß eine Recheneinrichtung vorgesehen ist zum Berechnen des Ausdrucks NT- + ΔΤ.. - ΔΤ₂* um dadurch (linen Wort dos Zeitintervalls Tx zu ermitteln.