DE3216314A1

DE3216314A1 - Method for measuring the time between two analog electrical pulses, which can be repeated any number of times and has statistically distributed amplitudes

Info

Publication number: DE3216314A1
Application number: DE19823216314
Authority: DE
Inventors: Johann F. Dipl.-Phys. 2000 Hamburg Hipp
Original assignee: Hipp johann F dipl-Phys
Current assignee: Hipp johann F dipl-Phys
Priority date: 1982-05-03
Filing date: 1982-05-03
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE3216314C2

Abstract

A method for measuring the time between two pulses which is characterised by the fact that two pulses each, the distance of which is to be measured, are converted into logical signals by means of a comparator and a logical signal of the difference between the beginning of the two pulses (the front edges) and a logical signal of the difference between the end of the two pulses (the back edges) is supplied in equal proportions to a start/stop counting device or measuring device and is there used for determining the time. This avoids amplitude-dependent measuring and enables an amplitude-independent measuring from time average to time average of the two pulses which can recur any number of times.

Description

Verfahren zur Messung der Zeit zwischen zwei beliebigMethod of measuring the time between any two

oft wiederholbaren analogen elektrischen Impulsen mit statistisch verteilten Amplituden.often repeatable analog electrical pulses with statistical distributed amplitudes.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zeit zwischen zwei elektrischen Analogimpulsen die beliebig oft wiederholbar sind,jedoch keine konstante Amplitude haben.Die genaue Zeitbestimmung ist insbesondere dann von großer Wichtigkeit,wenn diese Zeit eine physikalische Meßgröße repräsentiert,die genau gemessen werden soll.The invention relates to a method for determining the time between two electrical analog pulses that can be repeated any number of times, but none have constant amplitude. The precise timing is particularly important in this case Importance if this time represents a physical measurand that is accurate should be measured.

Dieses Problem tritt z.B. aufwenn hohe Drehgeschwindigkeiten von Zahnrädern o.ä. elektrooptisch abgetastet werden, wenn mit optischen Lichtpulsen die Entfernung zu einem Reflektor oder reflektierenden Gegenstand genausgemessen werden soll,wobei die Lichtlaufzeit zwischen der Lichtpulsaussendung und dern Licht;.ulsempfang die Entfernung repräsentiert oder bei Vermessung des Ortes von Bruchstellen in optischen G1Ssfasern der ebenfalls über Lichtpulslaufzeit durch die Glasfaser zur Bruchstelle und zurück bestimmt werden kann und bei vielen Experimenten mit Detektoren mit internem Verstärkungsfaktor wie Photomultiplier o.a.This problem occurs, for example, when gears rotate at high speeds or the like can be scanned electro-optically if the distance is measured with optical light pulses to be measured exactly to a reflector or reflective object, where the light transit time between the light pulse transmission and the light;. pulse reception the Distance represents or when measuring the location of breakpoints in optical G1Ss fibers also use light pulse travel time through the glass fiber to the point of break and back can be determined and in many experiments with detectors with internal Gain factor like photomultiplier or similar

wodurch insbesondere dann,wenn die geforderte Meßgenauigkeit die Anstiegszeit der elektrischen Impulse wesentlich unterschreitet und die Zeit zwischen den beiden elektrischen Impulsen sehr lang im Verhältnis zur Pulsbreite des Einzel-Pulses wird, in die Amplituden zusätzlich nicht konstant,variieren :lso z.B. mit der Temperatur,atmosphärischen Fluktuationen wie z.B. bei der Entfernungsmessung,so ist die erzielbare absolute Genauigkeit bisher nicht ausreichend.Im wesentlichem kommt es darauf antvorn zeitlichen Mittelwert des erzen impulses zum zeitlichen Mittelwert des zweiten Impulses zu messen,da diese Größe sich bei Amplitudenschwankungen nicht Endert.BiMerige Verfahren nutzen z.B. die Differentiation des Pulses und Nulldurchgang der ersten Ableitung als Beginn und Ende der Zeitmessung aus.Diese Technik stößt jedoch bei sehr kurzen Impulsen auf erhebliche fSciw;ierigkeiten.Letzten Erldes erreicht man mit diesem Verfahren in vielen Fällen nicht die ausreichende Genauigkeit z.B. die bei Entfernungsmessung geforderte Meßgenauigkeit von unter 5mm was einer absoluten Zeitmeßgenauigkeit von 30 Picosekunden entsprache.Eine relative Auflösung ist Jedoch in dieser Größenordnung erreichber,da das Zeitintervdii zwischen den beiden elektrischen Pulsen beliebig oft mit bekannten Techniken wie z.B. Zählen von Oszillatorschaltflanken,die in das Intervall zwischen ersten und zweiten Puls fallen, gemessen werden kannen anderen Fällen wird der Analogpuls mittels Komparator in ein logisches Signal umgesetzt.Dabei kommt es sehr darauf an,auf welche Spannung die Referenzspannung gelegt wird und wie gro die A.nstiegszeit der Impulse und die Bandbreite der Verstcirker sinADieses Verfahren ist fUr sehr konstante Amplituden der zu messenden Pulse gut geeignet'Jedoch nicht7wenn die Amplituden stark variieren.whereby especially when the required measurement accuracy the rise time of the electrical impulses and the time between the two electrical pulses are very long in relation to the pulse width of the single pulse, in the amplitudes also not constant, vary: lso e.g. with the temperature, atmospheric Fluctuations such as in distance measurement, the achievable is absolute Accuracy has not been sufficient so far. Essentially it depends on the time Mean value of the ore impulse in relation to the mean value of the second impulse over time to measure, since this variable does not change with amplitude fluctuations use e.g. the differentiation of the pulse and zero crossing of the first derivative as the beginning and end of timing, but this technique comes across at very short ones Impetus for considerable fSciw; ierungen.Last Erldes is achieved with this In many cases, the method does not provide sufficient accuracy, e.g. for distance measurement Required measuring accuracy of less than 5mm, which corresponds to an absolute timing accuracy of This corresponds to 30 picoseconds. However, a relative resolution is in this order of magnitude achievable, since the time interval between the two electrical pulses is arbitrary often with known techniques such as counting oscillator switching edges, which are included in the Interval between first and second pulse fall, can be measured another In some cases, the analog pulse is converted into a logic signal by means of a comparator it depends very much on what voltage the reference voltage is applied to and how big the rise time of the impulses and the bandwidth of the amplifiers are The method is well suited for very constant amplitudes of the pulses to be measured, however not 7 if the amplitudes vary widely.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Genauigkeitssteigerung der absoluten Zeitmessung zu ermöglichen.Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention is based on the above-mentioned disadvantages to avoid and to enable an increase in the accuracy of the absolute time measurement This object is achieved according to the invention with the in the characterizing part of claim 1 specified features.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird davon ausgegangen, daß die zwei analogen elektrischen Pulse,wenn sie auf einer Signalleitung einlaufen mit einem Komnarator oder wenn sie auf zwei separaten Leitungen einlaufen mit je einem Komparator in logische Signale umgesetzt werden.Insbesondere bei schnellen Signalen sind daftir Komnaratoren erforderlich, die bereits in ihren Schaltzeiten so schnell sind,daß die Pulsbreite der zu messenden Pulse wesentlich unterschritten wird und eine ausgnngsseitige ECL-Kompatibilitä.t vorliegt, 1n in der entsprechenden Geschwindigkeit die Signale weiter verarbeiten zu können.Es sind damit Schaltzeiten erreichbar, die bei ca. 1 Nanosekunde liegen,was z.B. im Falle der Anwendung bei der Entfernungsmessung einer Entfernungsunschärfe von 15 cm entspricht.Um nun die Unabhängigkeit von der Meßschwelle des Komparators zu erreichen bzw von der endlichen Anstiegszeit der zu messenden analogen Impulse , wird,nachdem die Pulse durch die Komparatoren in logisch verarbeitbare Signale umgeformt wurden, die Zeit von Beginn des ersten Pulses zu Beginn des zweiten Pulses und die Zeit von Ende üeb ersten Pulses bis Ende des zweiten Pulses gemessen.Dabei werden herköminliche Verfahren wie z.B. das Zählen von Oszillatorschaltflanken verwendet.Das Ergebnis wird durch zwei geteilt und stellt die Messung von Mitte des ersten Pulses zur mitte des zweiten Pulses dar und ist in weiten Bereichen der Amplituden der zu messenden Pulse unabhängig von der Komparatormeßschwelle und unabhängig von der Anstiegszeit der zu messenden Pulse.Durch Wiederholungsmessungen kann die Genauigkeit der Messung bis zu einem Grade gesteigert werden, bis der verbleibende Fehler in die Größe der systematischen Fehler gelangt.In the method according to the invention it is assumed that the two analog electrical pulses when they arrive on a signal line with a communicator or if they come in on two separate lines with one each Comparator can be converted into logical signals, especially with fast signals are required for communicators that already have their switching times so fast are that the pulse width to be measured is significantly below the pulse width and there is an output-side ECL compatibility, 1n in the corresponding Speed to be able to process the signals further achievable, which are around 1 nanosecond, which is e.g. in the case of application the distance measurement corresponds to a distance blur of 15 cm To achieve independence from the measurement threshold of the comparator or from the finite one The rise time of the analog pulses to be measured is after the pulses have passed through the Comparators were converted into logically processable signals, the time from the beginning of the first pulse at the beginning of the second pulse and the time from the end of the first Pulse measured until the end of the second pulse using traditional methods such as counting oscillator switching edges. The result is given by divided into two and represents the measurement from the middle of the first pulse to the middle of the second Pulse and is independent of the amplitudes of the pulses to be measured over a wide range of the comparator measurement threshold and independent of the rise time of the Pulse. Repeated measurements can reduce the accuracy of the measurement up to a Degree to be increased until the remaining error in the size of the systematic Error arrives.

Im folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein Ausfiihrungsbeispiel für das Verfahren zur Messung der Zeit zwischen zwei Impulsen nach der Erfindung näher beschrieben.An exemplary embodiment is given below with reference to the accompanying drawings for the method of measuring the time between two pulses according to the invention described in more detail.

Figur 1 zeigt eine schematische elektronische Schaltungsanordnung mit der das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Zeit zwischen zwei beliebig oft wiederkehrenden analogen elektrischen Impulsen mit nicht konstanter oder statistisch verteilter Amplitude durchgeführt werden kann.Figure 1 shows a schematic electronic circuit arrangement with which the inventive method for measuring the time between any two often repeating analog electrical pulses with non-constant or statistical distributed amplitude can be performed.

Figur 2 zeigt das zugehörige logische Pulsdiagramm.Figure 2 shows the associated logic pulse diagram.

Es wird davon ausgegangen,daß die einlaufenden elektrischen Analogimpulse 1 im analogen Aussteuerbereich eines nicht dargestellten Verstrers liegen.Mit dem Komparator 2 werden die analogen Signaleiin logische Signale 19 umgesetzt.Die Referenzspannung 22 wird so eingestellt,daß ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis besteht, s odaß eine Fehldetektion mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden kann.Der Komparatortist im Ausgang ECL-kompatibel und besitzt sowohl einen positiven als auch einen invertierenden Ausgangywie bei ECL Bauelementen Standard ist.Ein ECL-kompatibles Steuersignal 3,das vor Eintreffen des ersten Analogpulses anliegt,wird dazu benutzt,die Ausgänge 4,5 eines schnellen ECL-Flipflops 6, dessen Ausgang 5 auf den eigenen Dateneingang 7 geschaltet :lst,mit jeder positiven Schaltflanke im logischen Zustand umzuschalten. Jeweils ein Ausgang des Komparators und ein Ausgang des Flipflop6werden über ein ECL-Norgatter 8,9 geftihrt.Die Ausgänge beider Norgatter 20 werden durch eine Festverdrahtung der ECL-Ausgänge geodert 10 und auf den Clockeingang 11 eines weiteren schnellen ECL-Flipflops12 gefiShrt.Dieses Flipflop wurde durch den Steuerpult 3 zuvor in Grundstellung gebracht.Durch ein weiteres Flipflop 13 wird verhindert,daß mehr als die zwei in logische Signale umgesetzten Analogpulse am Flipflop 12 wirksam werden.Durch die taktweise Umsteuerung des Flipflops 6 werden jeweils positivgehende Pulse oder negativgehende Pulse an den liorgattern 8,9 durchgelassen.Das bewirkt,daß das Flipflop 12 wechselnd von Vorderflanke zu Vorderflanke und Hinterflank zu Hinterflanke der umgesetzten analogen Pulse einen Torpuls t4( bildet.Die negativgehenden Torpulse am Ausgang 148des Flipflop 12 werden der digitalen Zählschaltung der eigentlichen 'eitmeßelektronik zllgeführt.Dabei wird mit dem negativgehenden Torpuls der Zulauf von Pulsen eines hochfzuenten und genauen Oszillators 15 in einen Zähler 16 über ein Norgatter 17 gegatet.Dadurch werden abwechselnd die Oszillator flanken zwischen den Vorderflanken und den Hinterflanken der umgeformten Analogpulse im Zähler gezählt 16.Mit einem zweiten Zähler 18 wird die Anzahl der Einzelereignisse gezählt. Wird beispielsweise eine Oszillatorfrequenz von 300 Megahertz verwendet und 100 Ereignisse eine Messung bilden, so würde eine Meßgenauigkeit von ca. 300Picosekunden erzielt werden.Da durch eine Erhöhung der Anzahl der Ereignisse die Genaulgkeit gesteigert werden kann, kom;nt man sehr rasch in den Bereich,in dem die Anstiegszeit der AnaDgrulse sehr stark unterschritten wird, sodaß nur durch die Messung von Mitte erstem Analogpuls zu Mitte zweitem Analoguls aer Einfluß der endlichen Anstiegs und Abfallzeit der Analogpulse weitgehend eliminiert wird.It is assumed that the incoming electrical analog pulses 1 lie in the analog dynamic range of an amplifier (not shown) Comparator 2 the analog signals become logic signals 19 The reference voltage 22 is set so that a sufficient signal-to-noise ratio exists, so that a false detection is ruled out with a very high probability The comparator is ECL-compatible in output and has both a positive as well as an inverting output as with standard ECL components An ECL-compatible control signal 3, which is generated before the arrival of the first analog pulse is applied, is used to the outputs 4.5 of a fast ECL flip-flop 6, whose Output 5 switched to its own data input 7: lst, with every positive switching edge to switch in the logical state. One output of the comparator and one output each of the flip-flop 6 are led via an ECL NOR gate 8,9. The outputs of both NOR gates 20 are ORed by hard wiring of the ECL outputs 10 and to the clock input 11 of another fast ECL flip-flop 12. This flip-flop was carried out The control panel 3 was previously brought to its basic position by another flip-flop 13 prevents more than the two analog pulses converted into logic signals at the flip-flop 12 become effective. Due to the cyclic reversal of the flip-flop 6 positive going pulses or negative going pulses at the liorgattern 8,9 let through causes the flip-flop 12 to alternate from leading edge to leading edge and trailing edge a gate pulse t4 (forms the negative-going Gate pulses at the output 148 of the flip-flop 12 become the actual digital counting circuit 'eitmeßelektronik zllführung. With the negative going gate pulse, the closing of pulses from a high-frequency and precise oscillator 15 into a counter 16 a NOR gate 17 gated, which alternates between the oscillator edges the leading and trailing edges of the converted analog pulses are counted in the counter 16. The number of individual events is counted with a second counter 18. Will for example, an oscillator frequency of 300 megahertz is used and 100 events form a measurement, a measurement accuracy of approx. 300 picoseconds would be achieved Since increasing the number of events increases the accuracy one gets very quickly into the area in which the rise time of the AnaDgrulse is very much undercut, so that only by measuring the middle of the first analog pulse in the middle of the second analogue of the influence of the finite rise and fall time of the Analog pulses is largely eliminated.

Zusammengefaßt ergeben sich bei der Anwendung des eriindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Zeit zwischen zwei elektrischen Pulsen folgende Vorteile: Indirekte Messung von Pulsmitte zu Puls mitt und damit weitgehende Unabhängigkeit von der Amplitude der Pulse und von der Lage der Komparatorschwelle mit einfachsten schaltungtechnischen Mitteln.In summary, the application of the invention results in Method for measuring the time between two electrical pulses has the following advantages: Indirect measurement from pulse center to pulse center and thus extensive independence on the amplitude of the pulses and on the position of the comparator threshold with the simplest circuitry means.

Durch Unabhängigkeit von Amplitude der Meßpulse und Komparatorschwelle wird eine erhebliche Steigerung der Zeit meßgenauigkeit erzielt. By being independent of the amplitude of the measuring pulses and the comparator threshold a considerable increase in the time measurement accuracy is achieved.

Figur 3 zeigt eine schematische Anordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Zeit zwischen zwei beliebig oft wiederkehrenden analogen elektrischen Impulsen mit nicht konstanter Amplitude gemessen werden sann,die jedoch auf zwei separaten Leitungen einlaufen.Figure 3 shows a schematic arrangement with which the inventive Procedure for measuring the time between two analogue ones that repeat as often as required electrical impulses with a non-constant amplitude can be measured, which however run in on two separate lines.

gabel werden für beide Leitungen je ein Komparator verwendet, deren ECL-kompatible positiven Ausgänge auf ein ECL-kompatibles Or/Nor-Gatter geführt werden und der negative und positive Ausgang dieses Gatters 21 auf je ein weiteres ECL-kompatibles Nor-Gatter 8,9 geführt wird die nach der zuvor beschriebenen Weise abwechselnd mittels Flipflop 6 durchlassend geschaltet werden.fork, a comparator is used for both lines ECL-compatible positive outputs fed to an ECL-compatible Or / Nor gate and the negative and positive output of this gate 21 each to another ECL-compatible Nor gate 8, 9 is performed in the manner described above are alternately switched through by means of flip-flop 6.

Claims

Claims 1. A method for measuring the time between any two often repeatable electrical measurement signals in the form of short analog pulses with non-constant or statistically distributed amplitude characterized by, that a certain number of two analog pulses each, the measurement of which is a whole Measurement forms, converted into logical signals by means of a fast comparator which have the same width as the analog pulses at that voltage value which is applied to the reference input of the comparator 2 and from these logical signals the time between the two leading edges and the time between the two trailing edges in equal proportions as start-stop times for counting switching edges of a Oscillator directly or as start-stop times to integrate a voltage with subsequent digitization of the integrated voltage value and summation these values can be used.

2. Method of measuring the time between two repeatable as often as required Measurement signals in the form of electrical short analog pulses according to claim 1 thereby characterized in that the comparator has 2 ECL-compatible complementary outputs and the positive and negative output each to an ECL-compatible Nor gate 8,9 is performed by a control signal that is present before the arrival of the signals 3 each switched flip-flop 6 are alternately switched on, the Outputs of the two Nor gates 8, 9 combined by a logical OR circuit 10 the clock input 11 of a flip-flop 12 divided by two, the was previously set in the basic state by the control signal 3 and now alternately at the output of this flip-flop 12 a Torsigna] vfln leading edge to leading edge and Back flank to the trailing edge of the measurement signals converted into logic signals forms, which for further evaluation now in equal parts of the time measurement evaluation are fed, at the same time by a further flip-flop 13, which is also was set in the basic state by the control signal 3, it is prevented that the by two dividing flip-flops 12 more than one gate signal per cycle of each can form two measurement signals.

3. Method for measuring the time between two repeatable as often as required Measurement signals in the form of electrical short analog pulses according to claim 1 thereby characterized in that in the case in which the respective first measurement signals on one and the second measuring signals arrive on a second line, the positive outputs 19.20 one comparator each with ECL-compatible outputs per line via an ECL-compatible Or / Nor gate 21 are merged and the positive and negative output of this Gate are treated in the same way as the comparator outputs in claim 2.