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Verfahren und Anordnung zum Messen von Frequenzen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Frequenzen, bei
dem ein der Frequenz von Eingangsimpulsen entsprechender Digitalwert gebildet wird,
sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die derzeitige Verbreitung von Mikrocomputern hat einen Anstieg in
der Entwicklung von sogenannten DDC-Schaltungen gegeben, welche z. B. dazu bestimmt
sind, die Rotationsgeschwindigkeit eines Elektromotors direkt digital zu steuern
oder zu regeln. Für solche DDC-Schaltur.gen ist es notwendig, die Rotationsgeschwindigkeit
in Form einer digitalen Größe zur Verfügung zu haben. Hierzu werden Impulse mit
einer Frequenz, die zu der zu messenden Rotationsgeschwindigkeft proportional ist,
von einem Impulsgenerator erzeugt, der mit der Welle des Motors verbunden ist. Die
von diesem Generator erzeugten Impulse werden über einen Impulsformer zu einer Meßeinrichtung
mit einem Impulszähler geführt. Die Meßeinrichtung summiert z. B. die Anzahl der
empfangenen Eingangsimpulse während eines vorbestimmten Zeitintervalls auf. Wie
bekannt, führt jedoch eine solch einfache Zählmethode zu einem Zählfehler von +
1, und der Fehler der Geschwindigkeitsmessung wächst in dem Maße an, wie die Drehzahl
und damit die Frequenz der Eingangsimpulse erniedrigt wird. Um diesen Meßfehler
zu erniedrigen, ist ein genügend langes Intervall zum Zählen der Eingangsimpulse
zu wählen. Ein solch langes Neßintervall erhöht jedoch die Meßzeit, was zu einer
Verschlechterung der Geschwindigkeitssteuerung der DDC-Schaltung führt.
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Um die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu überwinden insbesondere
um eine hohe Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung in einer kurzen Meßzeit zu
erreichen, wurde schon ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem Referenzimpulse
hoher konstanter Frequenz erzeugt werden und die Anzahl der Referenzimpulse während
eines Intervalls gezählt werden, in welchem eine vorbestin;mte Anzahl von Eingangsimpulsen
eintreffen, so daß die Frequenz der Eingangsimpulse, das ist der der zu messenden
Geschwindigkeit proportionale Digitalwert, erhalten wird, indem der Kehrwert der
gezählten Anzahl von Referenzimpulsen errechnet wird. Dieses Verfahren ist z. B.
beschrieben in der japanischen Offenlegungsschrift 37 707/1980 und "Cyclopedia of
Patented Pulse Circuits" (Seite 520), veröffen-tlicht von Ohm-sha am 20. Mai 1980.
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Bei dem oben beschriebenen Verfahren tritt jedoch die Schwierigkeit
auf, daß die Meßzeit und daher die Zeit bis zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit
stark veränderlich ist, insbesondere dann, wenn die Drehzahl über einen weiten Bereich
gesteuert oder geregelt werden soll. In DDC-Systemen kann die Geschwindigkeitsmessung
als ein Teil davon betrachtet werden. Daher bedeutet der oben erwähnte Umstand,
daß die Übertragungsfunktion des gesteuerten Systems weitgehend, in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit, veränderlich ist. Weiterhin erfordert das bekannte Verfahren
eine nicht praktikabel lange Zählzeit, die zu einer unannehmbar langen Meßzeit führt,
weil mehrere Impulse auch im Bereich niedriger Geschwindigkeit gemessen werden müssen.
Um dieses Problem zu überwinden, ist in der oben beschriebenen Offenlegungsschrift
ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der Geschwindigkeitsbereich festgestellt wird
und, je nachdem, ob die jeweilige Geschwindigkeit in einen niedrigen oder hohen
Bereich fällt, die Geschwindigkeitsmessung nach dem ersten oder dem zweiten der
beiden erwähnten Verfahren gemessen wird, d. h., entweder durch Zählen der Anzahl
der Eingangsimpulse während einer vor-
bestimmten Meßzeit oder durch
Zählen von Referenzimpulsen während einer oder mehreren Perioden der Eingangsimpulse-.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu finden, mit dem die Frequenz von Eingangsimpulsen in einer kurzen Zeit und mit
hoher Genauigkeit sowie ferner in einem vorbestimmten Zeitintervall gemessen werden
kann, und zwar auch dann, wenn sich die Frequenz der Eingangs impulse über einen
weiten Bereich ändert. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zur Durchführung
des neuen Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit den im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Bei dem neuen Verfahren ist daher die Meßzeit konstant, und zwar gleich
der Periodendauer T der Zeitimpulse. Die Frequenzmessung kann periodisch wiederholt
werden. Nach jeder Periodendauer T steht daher ein neuer, der jeweiligen Frequenz
entsprechender Digitalwert zur Verfügung. Da der Digitalisierungsfehler + 1 in dem
in der Formel enthaltenen Ausdruck (Pn 1 - Pn) kompensiert wird, kann eine ausreichend
hohe Meßgenauigkeit erreicht werden, auch wenn die Meßzeit, d. h., die Periodendauer
T der Zeitimpulse, klein ist. Es ist daher möglich, die Frequenz mit hoher Genauigkeit
in einem kurzen Zeit intervall zu messen. Die Meßgenauigkeit wird fast nur durch
die Frequenz der Referenzimpulse bestimmt, so daß eine ausreichend hohe Ge-Genauigkeit
durch Verwendung von Re ferenz impulsen mit ausreichend hoher Frequenz und Frequenz
stabilität erhalten wird.
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Die Zeitimpulse können aus den Referenzimpulsen gebildet werden. Es
ist nämlich möglich, einen Impuls jedesmal dann zu erzeugen, wenn eine vorbestimmte
Anzahl PT von Refe-
renzimpulsen gezählt ist, und die so erzeugten
Impulse als Zeitimpulse zu verwenden.
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Vorteilhaft dient der Systemtakt eines Mikrocomputers, mit dem die
arithmetische Operation ausgeführt wird, als Referenzimpulse. Vor allem in einem
solchen Fall können die Zeitimpulse als Interruptsignal für den Prozessor dps Mikrocomputers
verwendet werden. Nach Empfang dieses Interruptsignals.übernimmt der Prozessor die
jeweils gezählten Werte Qn Pn nach einem Interruptprogramm, das in einem Programmspeicher,
vorzugsweise einem Festwertspeicher, enthalten ist. Der zuvor gezählte Wert Pn 1
kann in einem Schreib-/Lesespeicher des Mikrocomputers gespeichert werden.
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Eine Anordnung zur Durchführung des neuen Verfahrens besteht darin,
daß ein erster Zähler vorhanden ist, der die Eingangsimpulse während der durch die
Zeit impulse gegebenen Intervalle aufsummiert, und daß ein zweiter Zähler vorhanden
ist, der die Anzahl der Referenzimpulse in den Zeitintervallen zwischen den Zeit
impulsen und dem jeweils davorliegenden Eingangsimpuls zählt, und daß an die beiden
Zähler ein Rechner angeschlossen ist.
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Anhand der Zeichnungen werden im folgenden die Erfindung sowie weitere
Ausgestaltungen und Vorteile näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer
Anordnung zum Messen von Frequenzen, die Figuren 2 und 3 Impulsdiagramme zur Erläuterung
der Funktion der Anordnung nach Figur 1, Figur 4 ein Flußdiagramm, welches ein in
der Anordnung nach Figur 1 verwendetes Interruptprogramm veranschaulicht,
Figur
5 ein Blockschaltbild einer weiteren Anordnung zum Messen von Frequenzen und Figur
6 Impulsdiagramme zum Verdeutlichen der Funktion der Anordnung nach Figur 4.
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In Figur 1 ist mit 1 ein Impulsformer bezeichnet, der Eingangsimpulse
D in Rechteckimpulse E von vorbestimmter Pulsdauer umformt. Die Impulse D werden
z. B. von einem Impulsgenerator erzeugt, der an die Welle eines Motors angekoppelt
ist. Die so geformten Eingangsimpulse E werden von einem Eingangsimpulszähler3 gezählt.
Mit 4 ist ein Referenzimpulszähler bezeichnet, der Referenzimpulse A zählt. Die
von den Zählern 3 und.4aufsummierten Werte werden, von Zeitimpulsen B gesteuert,
in Register 5 und 6 übernommen. Ein Zeitgeber 7 zählt die Referenzimpulse und gibt
jedesmal dann einen Zeitimpuls B ab, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Referenzimpulsen
aufsummiert ist. Ferner erzeugt der Zeitgeber 7 Hilfs-Zeitimpulse C, die bezüglich
der Zeit impulse B eine so kurze Zeit verzögert sind, daß die Register 5 und 6 die
Inhalte der Zähler 3 und 4 übernehmen können. Die Hilfs-Zeitimpulse C werden als
Rücksetzsignale für den Zähler 3 verwendet, während der Zähler 4 die Eingangsimpulse
E als Rücksetzsignale erhält. Ein Mikroprozessor 8 und eine Datenübertragungssteuerung
10 sind über eine Sammelleitung mit den Registern 5 und 6 verbunden. Die internen
Systemtaktimpulse des Prozessors 8 dienen als Referenzimpulse A. Die Zeitimpulse
B, die vom Zeitgeber 7 erzeugt werden, werden als Interruptsignale für den Prozessor
8 verwendet. Nach Empfang eines Interruptsignals B unterbricht der Prozessor 8 das
laufende Programm und übernimmt die Inhalte Q und P der Zähler 3 und 4 entsprechend
einem weiter unten beschriebenen Interruptprogramm, das in einem als Festwertspeicher
ausgestalteten Programmspeicherteil eines Speichers 9 enthalten ist. Er führt dann
eine weiter unten beschriebene arithmetische Operation aus, mit der er einen digitalen
Meßwert erzeugt, der proportional zur Fre-
quenz der Eingangsimpulse
E ist und den er an die Datenübertragungssteuerung 10 ausgibt. Mit 11 ist ein Mikrocomputer
bezeichnet, mit dem z. 3. mit Hilfe eines DnC-Verfahrens die Drehzahl eines Motors
gesteuert wird. Der Mikrocomputer 11 übernimmt den Inhalt der Datenübertragungssteuerung
10, wenn er den gemessenen fert der Drehzahl benötigt.
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Figur 2 zeigt Beispiele von Zeitdiagrammen der Impulse A bis E, die
an den bezeichneten Stellen der Anordnung nach Figur 1 auftreten. Der Zeitgeber
7 erzeugt die Zeitimpulse B jedesmal dann, wenn er eine vorbestimmte Anzahl von
Referenzimpulsen der konstanten Frequenz f0 gezählt hat, so daß Meßperioden von
konstanter Dauer T (= PT/fO) gebildet sind. Der Zeitpunkt, zu dem die Hilfs-Zei-timpulse
C erzeugt werden, kann praktisch als übereinstimmend mit dem Zeitpunkt der Erzeugung
der Zeit impulse B betrachtet werden. Der Inhalt Q des Registers 5, der vom Prozessor
8 unmittelbar nach Beendigung der n-ten Meßperiode Tn übernommen wird, entspricht
daher der Zahl der Eingangsimpulse E, die während der Meßperiode Tn empfangen wurden.
Dieser Wert wird mit Qn bezeichnet. Andererseits entspricht der Inhalt P des Registers
5, der vom Prozessor 8 übernommen wird, der Zahl der Referenzimpulse, die in der
Meßperiode Tn während des Zeitintervalls vom Empfang des letzten Eingangsimpulses
Qn bis zum Ende der Meßperiode Tn erzeugt wurden. Dieser Wert wird als der jeweilige
Wert Pn bezeichnet. Die Anzahl der Referenzimpulse, die innerhalb der vorangegangenen
Meßperiode TI erzeugt wurden, wird als der vorangegangene Wert Pn 1 bezeichnet.
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Wie aus Figur 2 zu ersehen ist, ist das Zeitintervall zwischen dem
Empfang des letzten Eingangsimpulses in der Meßperiode Tun 1 bis zum Empfang des
letzten Eingangsimpulses in der Meßperiode Tn proportional zur Anzahl Pn 1 - Pn
+ PT der Referenzimpulse und proportional zur
Anzahl Qn der Eingangsimpulse,
die während der Meßperiode Tn empfangen wurden.
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Es ist daher möglich, einen digitalen Meßwert zu erhalten, der proportional
zur Frequenz E der Eingangsimpulse ist, indem entsprechend der folgenden Formel
ein Rechenvorgang durchgeführt wird:
Es ist ersichtlich, daß mit dem oben erläuterten erfindungsgemäßenMeßprinzip der
Meßwert mit hoher Genauigkeit erhalten wird und daß ferner die Messung mit der konstanten
Periode T wiederholt wird.
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Das Meßverfahren kann dahingehend erweitert werden, daß die Messung
auch bei extrem niedrigen Frequenzen durchgeführt werden kann, bei denen die Periodendauer
der Eingangsimpulse die oben definierte Meßperiode T übersteigt.
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Bei Messungen in einem solch extrem niedrigen Frequenzbereich kann
selbstverständlich eine konstante Meßperiode nicht mehr aufrechterhalten werden.
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In dem Falle, daß die Periodendauer der Eingangsimpulse länger ist
als die Periode der Zeitimpulse B, wie es z. B.
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in Figur 3 gezeigt ist, können die Meßwerte in der folgenden Weise
erhalten werden. Es sei angenommen, daß innerhalb der Periode Tn ein Eingangsimpuls
auftritt, so daß die in dieser Periode erhaltenen Zählergebnisse Q = Qn = 1 und
P = Pn si£id. Es sei ferner angenommen, daß ein Zählergebnis von P = PO erhalten
wurde in der Zeitimpulsperiode To in welcher der vorangegangene Eingangsimpuls empfangen
wurde, und daß kein Eingangsimpuls in der Zeit zwischen der vorangegangenen Periode
T0 und der laufenden Periode Tn auftrat. Der zeitliche Abstand der Eingangs-
impulse
kann dann ausgedrückt werden durch: (P0 + (n-1) PT) - Pn + Es kann daher eine Formel
verwendet werden, die identisch zu der oben erläuterten ist, indem der Ausdruck
Pn-l durch den Ausdruck PO + (n-1) PT ersetzt ist. Zu jedem Meßzeitpunkt wird festgestellt,
ob der Zählwert Q Null ist. Ist er nicht Null, wird die Rechenoperation entsprechend
der Formel (1) ausgeführt, und zusätzlich wird der gespeicherte Wert Pn 1 durch
Pn ersetzt, der dann bei der nächsten Rechenoperation als Wert Pn-1 dien-t. Ist
demgegenüber der Wert Null, wird das Rechenergebnis nicht erneuert, es wird aber
der gespeicherte Wert Pn-1 in der Weise erneuert, daß er durch (Pn 1) PT ersetzt
wird, daß also die Konstante PT zum vorhandenen Wert Pn 1 hinzuaddiert wird.
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Figur 4 zeigt ein Flußdiagramm, das schematisch das im Speicher 9
enthaltene Interruptprogramm zeigt. Nvach zmpfang eines Zeitimpulses B als Interruptsignal
unterbricht der Prozessor 8 das laufende Programm und liest die jewelligen Inhalte
Qn und Pn der Zähler 3 und 4, die in die Register 5 und 6 übernommen sind. Der Rechner
entscheidet, ob der Wert Qn Null ist. Ist er nicht Null, wird der 9w'ert Pn 1 aus
dem Schreib-/Leseteil des Speichers 9 entnommen, und die Rechnung wird entsprechend
der Formel (1) durchgeführt. Das Ergebnis wird an die Datenübertragungssteuerung
10 gegeben und, nachdem der im Speicher 9 gespeicherte Wert Pn-1 1 durch den Wert
Pn zur Vorbereitamg der nächsten Rechenoperation ersetzt ist, startet der Prozessor
8 das Programm, welches er auf den Empfang des Interruptsignals B unterbrochen ha-tte,
und wartet auf das nächste Interruptsignal B. wenn der Wert Qn Null ist, wird der
konstante Wert PT zu dem im Schreib-/Leseteil des Speichers 9 enthaltenen Wert Pn-1
hinzuaddiert, und nachdem das Additionsergebnis als neuer Wert Pn-1 in dem
Schreib-/Leseteil
abgespeichert ist, wird die Bearbeitung des Programms, welches auf den Empfang des
Interruptsignals unterbrochen wurde, von neuem begonnen.
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Figur 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, deren
Funktion durch Impulsdiagramme, die in Figur 6 dargestellt sind, verdeutlicht ist.
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Die Anordnung nach Figur 5 unterscheidet sich von der nach Figur 1
in zusätzlichen Eingangsimpulszählern 3' und 4'. Diese Zähler und die Zähler 3 und
4 bilden Zählerpaare, die abwechselnd in Betrieb gesetzt werden. Der Zeitgeber 7
braucht hier nur eine Folge von Zeit impulsen B zu erzeugen, die einem Frequenzteiler
12 zugeführt werden.
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Dieser liefert zwei zueinander inverse Signale G und H, die Eingangstorschaltungen
der Impulszähler 3, 3' abwechselnd steuern, denen ferner die Eingangsimpulse E zugeführt
sind. Ihre Ausgangsimpulse werden den Zähleingängen der Zähler 3, 7' zugeführt und
als Freigabesignale für die Referenzimpulszähler 4, 4' verwendet. Diese Zähler empfangen
die Referenzimpulse A über ihre Eingangstorschaltungen, welche ebenfalls von den
zueinander inversen Signalen G und H gesteuert sind. Eine Dateneingangsschaltung
13 stellt anhand eines der beiden Ausgangssignale des Frequenzteilers 12, im Ausführungsbeispiel
anhand des Signales H, fest, welches der beiden Zählerpaare ausgewählt ist. Z. B.
gelangen in der Periode, in welcher das Signal G den logischen Zustand "L" einnimmt
und das Signal FI den logischen Zustand "H", die Referenzimpulse A als Zählimpulse
J an den Zähler 4.
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Die Eingangsimpulse E werden vom Impulsformer 1 über ein Eingangstor
geführt, dessen Ausgangssignal mit I bezeichnet ist und eine doppelte Funktion hat.
Zum einen ist es das Zählsignal für den Zähler 3 und zum anderen das Freigabe signal
für den Zähler 4. In diesem Falle zählt der Zähler 3 die nzahl Q der Eingangs impulse,
die während
einer vorbestimmten Periode T erhalten werden, während
der Zähler 4 die Anzahl P der Referenzimpulse zählt, die in der Zeit zwischen dem
Auftreten eines Eingangsimpulses.
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unmittelbar vor einem Zeitimpuls B und dem Augenblick der Erzeugung
des Zeitimpulses empfangen werden. Nach Ablau der vorbestimmten ZeitdauerT gibt
der Zeitgeber 7 ein Signal 13 ab, so (-lai3 die Ausgangssignale G und H des Frequenzteilers
12 invertiert werden. Die Zähler 3 und 4 werden damit gesperrt, während die Zähler
3' und 4' freigegeben werden. Gleichzeitig erhält der Prozessor 8 den Zeitimpuls
B als Interruptsignal, unterbricht dle Bearbeitung des laufenden Programms und beginnt
mit der .earbeitung des Interruptprogramms. Dabei liest er den Inhalt der Dateneingangsschaltung
13 und stellt den Zähler fest, welcher nicht gesperrt ist. (Das Signal, welches
gelesen wird, ist das Zählerauswahlsignal H" des Frequenzteilers 12. Die Zähler
3, 4 sind gesperrt, wenn da Signal EI den Binarzustand "L" einnimmt.) Danach wird
der Inhalt des Zählers 3 als Wert 0 und der Inhalt des Zählers 4 als Wert Pn übernommen,
und die Zähler 3 und 4 werden auf Null zurückgesetzt. (Das Rücksetzen des Zählers
4 ist nicht immer notwendig.) Der Wert Pn-1, der in der vorangegangenen Messung
erhalten rurde, wird in den Schreib-/Leseteil des Speichers 9 eingetragen. Es wird
dann eine Reihe von Operationen in derselben Weise ausgeführt wie in der Anordnung
nach Figur 1. Es ist daher möglich, Frequenzen und damit z. B. die Drehzahl eines
rotierenden Teiles über einen weiten Bereich zu messen, und zwar sowohl in einem
extrem niedrigen als auch in einem hohen Frequenzbereich.
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In den Anordnungen nach den Figui'en 1 und 2 sind der Frozessor 8,
der Speicher 9 und die Zähler 3, 4; 3', 4' als unabhängige Bauelemente gezeichnet.
Es ist jedoch möglich, einen Ein-Chip-Mikrocomputer zu verTwnden, in eichem der
Prozessor, der Speicher und die Zähler in einem
Chip enthalten
sind. Der Zeitgeber und die Zähler können auch in einem Zähler-Chip enthalten sein,
welcher mehrere Zähler enthält.
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12 Patentansprüche 6 Figuren