DE3320104A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die erzeugung elektronischer impulse - Google Patents

Description

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Inhalt der Erfindung _β 3°

Die Erfindung erstreckt sich auf einen Frequenzgenerator und ein Verfahren zur Erzeugung eines Ausgansimpulses auf der Basis einer mathematischen Berechnung, wobei die Ausgangsimpulse zu einer Serie von Eingangsimpulsen auf der Rasis von Einzelimpulsen synchronisiert werden»

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzgenerator im allgemeinen und insbesondere auf einen Frequenzgenerators, der Ausgangsimpulse erzeugt₉ gemäß einer mathematischen Berechnung^ wobei die Ausgangsimpulse zu Eingangsimpulsen auf derBasis von Einzelimpulsen synchronisiert werdenβ

In Verbindung mit der Verarbeitung von Bilddaten ist es heute wünschenswert, die Größe des wiederaufgezeichneten Bildes gegenüber dem abgetasteten Bild zu verändern.» Im allgemeinen nennt man ein solches Verfahren eine Bildvergrößerung» In diesem Falle aber wird eine Theorie beschrieben und die dazugehörige Hardware_D die Größenänderungen als Verkleinerung und als Vergrößerung zulassen,, Das bedeutet, daß hier die Größenänderung eines Bildes auch eine Verkleinerung einschließt. Das Problem, die Größe eines Bildes um einen Betrag von größer als 1 zu verändern, wird derart ausgeführt„ daß In ©iner Vorstufe ein© zwei- oder mehrfache Vergrößerung ausgeführt wird» und daß im Anschluß an dieses Zwischenergebnis auf die endgültig gewünschte Größe verkleinert wird»

Das Konzept der Verkleinerung wird angewendet«, um eine vorgewählte Ausgangsfrequenz von einer vorgegebenen Eingangsfrequenz abzuleiten» Grundsätzlich kann die Verkleinerung bewerkstelligt werden mit Hilfe einer Standardphasenregel schleif enschaltung, die einen rückgekoppelten Zähler als programmierbaren Teiler enthält» Handelsübliche Funkgeräte benutzen diese Technik, um ver= schiedene Obertragungs- und/oder Empfängerfrequenzen herzuleiten»

Das Problem besteht jedoch darin, daß in einem Phasenregel sch!eifensystem (phase locked loop system) durch Teilung des rückgekoppelten Zählers durch die Zahl N nur eine sehr begrenzte Anzahl von Ausgangsfrequenzen erzeugt werden kann« Die Phasenregelschleifentechnik verlangt nach einem ganzzahlig arbeitenden Rückkopplungszählers. Dieser ganzzahlige Wert erzeugt die neue Aus» gansfrequenz als eine Funktion aer vorgesehenen Kanalabstände.

Einige Anwendungen in der Verarbeitung von Bildaten machen es erforderlich«, daß extrem kleine und in einigen Fällen nicht ganzzahl ige Werte in aen Kanalabständen erreicht werden,, um im Zuge einer synchronen Verarbeitung der Bilddaten;, die Vorlagengröße in Schritten von kleiner als O₉I % zu reduzieren» Eine konventionelle Phasenregelschleife kann für die Anwendung nicht genutzt werden» Zu der begrenzten Anzahl von verfügbaren Ausgangsfrequenzen der Phasenregelschleife kommt hinzu,, daß die Ungenauigkeit der Ausgangsimpulsfolge während des Regelvorgangs der Phasenregelschleife nicht tolerierbar ist»

4 -

Demzufolge ist es ein generelles Ziel "d*ies*e Erfindung zu einem verbesserten Frequenzgenerator zu gelangen.

Ein besonderes Ziel der Erfindung besteht in einem Frequenzgenerator, der auf der Basis einer mathematischen Berechnung Ausgangsimpulse erzeugt, die Impuls für Impuls mit dem Eingangsimpulstrom synchronisiert sind.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß der Frequenzgenerator eine Serie von Ausgangsimpulsen erzeugt, deren Frequenz einen bestimmten Prozentbruchteil der Eingangsimpulsfrequenz ist.

Ein weiters Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß die Erfindung durch konventionelle, marktgängige elektronische Bauelemente verwirklicht werden kann.

Kurze Beschreibung des Schaltbildes

Diese Tatbestände und Kennzeichen sowie andere Tatbestände und Kennzeichen können am besten verstanden werden durch eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie im Blockdiagramm der einzig beigefügten Zeichnung zur Illustration des erfindungsgemäßen Frequenzgenerators dargestellt ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Das mathematische Konzept, das für die Entwicklung der Frequenzgeneratortechnik herangezogen wurde, besagt, einfach ausgedrückt, daß die Zahl der Ausgangsimpulse einem bestimmten Prozentwert der Eingangsimpulse entsprechen muß. Der angestrebte, allerdings nicht darauf beschränkte, Arbeitsbereich liegt innerhalb von 20 - 100 %. Das beschränkt die Schaltung auf eine Ausgangsimpulsrate, die gleich oder kleiner als die Eingangsimpulsrate ist.

Das Weglassen von Impulsen nach einem vorherbestimmten Verhältnis stellt allerdings keine vollkommene Lösung des Problems dar. Die verbleibenden Impulse müssen derart angeordnet werden, daß sie einen gleichmäßigen, kontinuierlichen Ausgangsimpulsstrom sicherstellen. Jeder Ausgangsimpuls muß deshalb um einen bestimmten Prozehtwert gegenüber seinem korrespondierenden Eingangsimpuls vergelagert werden, relativ zum nächsten Eingangsimpuls.

Die Entwicklung des mathematischen Modells kann am besten anhand eines Beispiels beschrieben werden.

Man gehe von folgenden Anforderung aus:

Es ist ein Ausgangsimpulsstrom zu verwirklichen, der 80 % vom Eingangsimpulsstrom beträgt. Dabei beachte man, daß dieser Prozentwert an Verkleinerung wählbar sein muß, der innerhalb des gewünschten Bereichs von 0>2 - ^Ausgang * *»0 ^1S^· Dieser besondere Wert jedoch vereinfacht die mathematischen Zusammenhänge mit Rücksicht auf die gewünschte Illustration. In diesem Beispiel gilt:

^fAusgang ⁼ °«⁸'^fEingang ^{oder f}Eingang ^{= 1}»²⁵"^fAusgang

? ° ° 0 O 0 °*ZJ) OO Q

• * ° Oo οαο οο ο

' ""οοοοοοο ο

'**" ΟΟοο O O α α

0» OO ί> ο

Das bedeutet, daß auf 1„25 Eingangsimpulse ein 1 Ausgangsimpuls kommt. Der Abstand der Ausgangsimpulse zu den Eingangsimpulsen ist gleich dem Bruchteil der wiederholten Additionen,, wenn der reziproke Prozentwert des Ausgangs zu den akkumulierten Werten dazuaddiert wird»

Für das 8o % Beispiel gilt:

Addiere 1„25 Ausgangswert '+ "1,25 Reziprokwert

'+	2„ ■ι,	50 25	1.	Addition
·{■■	' 3, ■ ι;	75 25	2.	Addition
.+ .	5S	00 25	3.	Addition

6„25 4. Addition

USWo

In diesem Fall sind die Impulsabstände 0o5₉ 0_o75₀ Oo00₀ 0o25„

Man beachte aber₃ daß beim übergang von der Summe 2 auf die Summe 3 die Änderung

des Ganzzahlenwertes größer als 1 ist., Wenn diese Situation eintritt^ müssen

Ausgangsinipulse herausgenommen-werden. Die genaue Anzahl davon kann berechnet werden nach folgender Gleichung:

(Herausgenommene impulse) = (Ganzzahlige Impulse nach Addition) (Ganzzahlige Impulse vor der Addition) - L

Die Information über die herausgenommenen Impulse und die Information über die Impulsabstände vervollständigen die Daten^ die notwendig sind, um einen Ausgangsimpulsserie zu generieren» Die Ausgangsimpulsserie kann für das vorliegende Beispiel mit Hilfe folgender Zahlen entwickelt werden:

Eingängsimpülse Äusgah'gsimpulse

50 % Verlagerung innerhalb der Periode von Eingangsimpuls 1 zum Eingangsimpuls 2„

75 % Verlagerung innerhalb der Periode von Eingangsimpuls 2 zum Eingangsimpuls 3₀

Dieser Impuls entfällt OO % Verlagerung o = »o usw..

25 % Verlagerungooo usw» 6 -

Die Herleitung der mathematischen* ZusalrtmerthangeHst^jedoch bis zu diesem Punkt davon ausgegangen, daß die Periode eines Impulses gleich einer Zeiteinheit 1st. Um der mathematischen Berechung einer prozentualen Verlagerung physikalische Bedeutung zu geben ist es notwendig, die Werte hinter dem Komma der berechneten Summen 1, 2, 3, usw. mit dem tatsächlichen Wert des Periodenabstandes zweier Eingangsimpulse zu multiplizieren. Gleichgültig, in welcher physikalischen Einheit (millisec, microsec. usw.) man das tut.

Das Produkt aus der Multiplikation stellt jenen Zeitwert dar, um den jeder Ausgangsimpuls gegenüber jedem Eingangsimpuls verzögert werden muß, um einen gleichmäßigen Abstand der Ausgangsimpulsserie sicherzustellen. Sobald dieser Zeitwert bestimmmt ist, ist der mathematische Teil des Problems gelöst. Die beigefügte Zeichnung zeigt einen Frequenzgenerator in Form eines Blockdiagramms, der in seiner Ausführung der vorliegenden Erfindung entspricht und als ganzes mit der Ziffer 10 gekennzeichnet worden ist.

Die Schaltung des werden:

Frequenzgenerators (10) kann in fünf Bereiche unterteilt

Bereich 1 ist ein Addierer mit ImpulsverlagerungslogiK (12) Bereich 2 ist die Regel logik des Frequenzgenerators (14) Bereich 3 ist eine Ausgleichslogik für die Perioden (16) Bereich 4 ist ein Multipizierer (18) Bereich 5 ist eine programmierbare Verzögerung. (20)

Die Bereiche 12 und 14 des Frequenzgenerators stellen die Elemente dar, die notwendig sind, um den Prozeß der Frequenzerzeugung zu regeln. Ein 24-Bit-Addierer (22) - dargestellt im Bereich 12 - führt die wiederholten Additionen für die Berechnung der prozentualen Verlagerung aus. Nur die 7 Bits hinter der Kommastelle werden dem Multipizierer in (18) zugeführt. Vorteilhaft dabei ist, daß die Länge des Wortes für diese Berechnung direkt in die Genauigkeit des Resulats eingeht.

Die 4 höchstwertigen Bits im Addierer (22) besorgen die Logik in (24) mit der notwendigen Information über die Herausnahme von Impulsen. Diese Logik regelt die Berechnung der nächsten prozentualen Verlagerung innerhalb des 24 Bit-Addierers. Wenn das Ergebnis einer neuen Addition dazu führt, daß ein Takt oder mehrere Takte herausgenommen werden müssen, sorgt die Logik in Block 24 für die richtige Verzögerung, bevor die Kette der Addition fortgesetzt wird.

Das folgende zeigt eine Darstellung der einzelnen Bits innerhalb des 24-Bit-Addierers.

XX

ganze Zahlen

Kommapunkt

XX XX XX XX

7-Bit-Kommastelle für die Multiplikation

XX XX XX XX XX XX

Kommastellen für höhere Rechengenauigkeit und für die Berechnung für Verkleinerungen

Bereich 4 stellt die Regellogik für den gesamten Frequenzgenerator dar*. Die wichtigste Regel funktion besteht darin,, eine geordnete Taktfolge für den Rechnerteil des Frequenzgenerators sicherzustellen,, Bereich 16 beinhaltet den Durchschnittsviertbildner für die Perioden., Dieser Bereich des Generators mißt die Perioden von Eingangsimpulsen und bildet einen Durchschnittswert über eine vorher festgelegte Zahl von Fakten, z. B₈ 128 Eingangsimpulse. Die Arbeitsweise ist grundsätzlich die eines Frequenzzählers„ allerdings mit dem Ergebnis, dali die Werte Zeiteinheiten darstellen und nicht Frequenzen»

Der von einem Host-System (nicht dargestellt) ankommende Eingansimpulsstrom ist frequenzmoduliert im Bereich von 8-20 Megahertz, Um eine geeignete Multipliziereinheit zu bekommen, wird eine Messtechnik angewendet;, die ständig den Abstand der Impulse ermittelt. Die Anzahl der Impulses, die für die Berechnung einer Durchschnittperiode herangezogen werden, hängt ab von der Gesamtgenauigkeit des Systems und der Größe des Messstandards.

Es ist verständlich, daß der Eingangsimpulsstrom nicht frequenzmoduliert werden mußo Weiterhin ist verständlich, daß vom Konzept her der Periodendurchschnittsbildner (16) einen Ausgangsimpulsstrom erzeugt mit einem durchschnittlichen Periodenwerti, der sich aus der unbekannten Frequenz des Eingangsimpulsstroms geteilt durch die vorbestimmte Anzahl der Takte errechnete

Der Ausgang des Multiplizieres im Bereich 18 wird nach dem Abspeichern in zwei programmierbare Verzögerungsleitungen (26) weitergeführt_B wobei jede Leitung ein Reihe von festprogrammierten Verzögerungsbausteinen enthält. Jeder dieser Verzögerungsbausteine kann zwei Funktionen ausführen: Verzögerung oder Durchgang.

Für unser Beispiel, das nur zur Illustration gewählt wurde, möge sich Eingangsimpulsstrom im Frequenzbereich von 8-20 Megahertz verändern» Die analogen Verzögerungsbausteine werden dafür wie folgt gewählt:

a.	ÖU	nanosec
b.	40	Il
C.	20	Il
d.	10	Il
e.	5	Il

f. 2,5

Nachdem jeder Verzögerungsbaustein individuell durch ein Bit aus dem Produkt der

Multiplikation geregelt wird, kann der Ausgangsimpuls in diskreten Schritten

verzögert werden, und zwar regelbar in Schritten von 2₉5 Nanosekunden«

Um zum Beispiel einen Impuls 97,5 Nanosekunden zu verzögern, ist folgende Konfiguration für die Verzögerungsmodule notwendig:

Verzögerung ein Verzögerung aus'

a. 80

b. 40

c. 20

d. 10

e. 5

f. '2,5

97,5 nsec.

Die längste Verzögerung, die für die angestrebte Anwendung notwendig ist, ist eine Funktion der kleinsten Eingangsfrequenz. Die Summe aller Verzögerungen ist gleich oder geringfügig größer als die größte zu berechnende Periode.

Die Festlegung der Größe der Einzelschritte ist ein Kompromiß zwischen der gewünschten Genauigkeit der prozentualen Verlagerung und der technisch realisierbaren kleinsten Schrittgröße. Vom Konzept her ist nur ein Multiplizierer und eine programmierbare Verzögerung notwendig, um Eingangsimpulse zu verlagern. Um jedoch auch die Funktion ausführen zu können, die im obenangeführten Beispiel gezeigt wurde, ist ein A/B-Kanal-Arbeitsverfahren vorgesehen. Während der eine Impuls seinen Weg durch die programmierte Verzögerungslinie nimmt, wird der andere Verzögerungskanal für den nächsten Impuls programmiert. Der Ausgang beider Kanäle wird dann logisch zusammengeführt, um den gewünschten Ausgangsimpulsstrom zu bekommen.

Die Anwendung eines zweifachen Multipizierers, wobei jeder einen Verzögerungskanal versorgt, ist notwendig wegen der erforderlichen Zeit für die 7-Bit-Multiplikationen. Die maximale Eingangsfrequenz von 20 Megahertz erzwingt die zweifache Anordnung der Multiplizierer.

Nachdem der beschriebene Frequenzgenerator einen Funktionsblock aus einem größeren System darstellt, werden die für eine einwandfreie Funktion benötigten Eingangsparameter über ein Computer-Interface (28) zugeführt.

Die Register, die von dem Host-Prozessor (nicht dargestellt) bedient werden, sind:

a) Größerungswert - 3 Bytes

b) Anfangsimpulsverzögerung - 3 Bytes

c) Impulsherausnahme - 1 Byte

d) Kontroll register - 1 Byte

Nachdem wir die bevorzugte Ausführungform unserer Erfindung beschrieben haben, ist es für Kenner der Materie offensichtlich geworden, daß zahlreiche Modifikationen der Ausführungsform möglich sind, ohne daß vom Grundsätzlichen der Erfindung abgegangen wird, die wir in den vorangegangenen Patentansprüchen niedergelegt haben.

Frankfurt (M), den 01. Juni 1983 KR/hac

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   Verfahren zur Erzeugung einer Frequenz elektronischer Impulse, die kleiner ist als die Frequenz der Eingangsimpulse,, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

   Oj daß die Verminderung der Frequenz in wählbaren Prozentschritt^n von vh»r Eingangsfrequenz erfolgt

   jU daß der reziproke Wertder prozentualen Verminderung berechnet wird Q, daß ein Ausgangsimpulsstrom erzeugt wird

   daß die Abstände der Ausgangsimpulse veränderlich sind» und zwar in der Art_s daß der Abstand im Vergleich zum Abstand der Eingangsimpulse gleich dem Bruchteil jener Größe ist, die durch wiederholte Additionen entsteht, wobei der reziproke Wert der prozentualen Verminderung dem akkumulierten Wert aller vorangegangenen Additionen zuaddiert wird.

   Verfahren gekennzeichnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _a daß aus dem Eingangsimpulsstrom Impulse nach folgender Formel herausgenommen werden:

   (Zahl der herausgenommenen Impulse) = (Ganzzahlige Impulse nach Addition) - (Ganzzahlige Impulse vor Addition) - 1

   Verfahren zur Erzeugung einer Frequenz elektronischer Impulse₀ die kleiner ist als die Frequenz eines Eingangsimpulsstromes_s gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

   Oij daß Impulse aus dem Eingansimpulsstrom nach einem vorher festgelegten Verhältnis herausgenommen werden, um einen zwischenzeitlichen Impulsstrom zu erzeugen»

   b daß Impulse des zwischenzeitlichen Impulsstromes verlagert werden, entsprechend einem vorherbestimmbaren Prozentwert vom Abstand der Eingangsimpulse mit der Maßgabe einen gleichmäßigen Ausgansimpulsstrom der gewünschten Frequenz zu erzeugen»

   Vorrichtung für die Erzeugung einer Frequenz elektronische Impulse,, die kleiner ist als die Frequenz des EingangsimpulsstromS;, gekennzeichnet durch folgende Teil vorrichtungen:

   Teilvorrichtung zur Erzeugung eines Ausgangsimpulsstroms in Abhängigkeit vom Eingangsimpulsstrom mit einer Frequenz_D die um einen vorbestimmbaren Prozentwert kleiner als die Eingangsfrequenz ist»

   : :.·:.: ::·\..-""V^: 3320104 Teil vorrichtung zur Veränderung des Abstandes der Ausgangsimpulse so, daß ihr Abstand im Vergleich zum Abstand der Eingangsimpulse gleich jenem Bruchteil ist, der durch die wiederholte Additionen entsteht, wobei der reziproke Wert der prozentualen Verminderung dem akkumulierten Wert aller Additionen hinzugefügt wird.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Teil vorrichtung enthält für die Herausnahme von Impulsen aus dem Eingangsimpulsstrom in Übereinstimmung folgender Formel:

   (Zahl der herausgenommenen Impulse) = (Ganzzahlige Impulse nach Addition ) - (Ganzzahlige Impulse vor Addition) - 1.

   6. Vorrichtung zur Erzeugung einer Frequenz elektronischer Impulse, die kleiner ist als die Frequenz des Eingangsimpulsstroms, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Teilvorrichtungen enthält:

   OU Teil vorrichtung für die Herausnahme von Impulsen aus dem Eingangsimpul strom nach einem vorher festgelegten Verhältnis, um einen zwischenzeitlichen Impulsstrom zu erzeugen.

   ⁱ'/? Vorrichtung für die Verlagerung der Impulse des zwischenzeitlichen Impulsstroms nach einem vorher festgelegten Prozentwert zum korrespondierenden Eingangsimpuls und relativ zum nächstfolgenden Eingangsimpuls um einen gleichmäßigen Impulstrom der gewünschten Frequenz zu erhalten.

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