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Frequenz zähler
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Frequenz einer
elektrischen Schwingung mittels eines elektronischen Zählers.
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Frequenzzähler dieser Art sind bekannt (NTZ, Band 37, 1984, Heft 1,
Seiten 10 bis 13). Das hierbei verwendete Zähltor, über welches die zu messenden
Schwingungen dem Zähler zugeführt werden, bedingt einen systematischen Quantisierungsfehler
(maximal +0,5). Mit solchen bekannten Frequenzzählern können in der Frequenz schwankende
Schwingungen, beispielsweise mit einer unbekannten Frequenz oder mit einem stochastischen
Signal modulierte Trägerschwingungen, nur ungenau gemessen werden. Beim Zählen der
beispielsweise positiven Halbschwingungen hängt das Ergebnis vom jeweiligen Zeitpunkt
Meßstartes ab, wenn die Messzeit nicht ein ganzzahliges Vielfaches der Modulationsperiodendauer
ist, was bei stochastischen Signalen grundsätzlich unmöglich ist. Aber auch bei
deterministischen Signalen wäre eine genaue Trägerfrequenzmessung nur bei bekannter
Modulationsfrequenz und anpassbarer Messzeit möglich. Die Frequenz der meisten frequenzmodulierten
Träger schwingungen kann mit den bekannten Frequenzzählern daher nicht genau ermittelt
werden. Es bleibt ein unbekannter Messfehler, dieser sinkt zwar relativ mit steigender
Messzeit, sehr lange Messzeiten sind aber in
vielen Anwendungsfällen
nicht möglich oder zumindest störend.
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Eine weitere Möglichkeit zur Fehlerverringerung bestünde zwar darin,
viele Einzelmessungen mit zufälligen Messzeitstartpunkten nacheinander durchzuführen
und die so erhaltenen unterschiedlichen Messergebnisse zu mitteln. Auch dadurch
würde jedoch die Gesamtmesszeit relativ gross, ausserdem würde der oben genannte
systematische Quantisierungsfehler nicht vermindert werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Messen der Frequenz
einer elektrischen Schwingung mittels eines elektronischen Zählers zu schaffen,
die diesen Nachteil vermeidet und die ohne Vergrösserung der Gesamtmesszeit die
Messgenauigkeit erhöht und mit der vor allem auch die mittlere Frequenz von frequenzmodulierten
Schwingungen hochgenau gemessen werden kann.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung laut Oberbegriff
des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemassen Frequenzzähleranordnung werden mit einem
einzigen Zähler zeitlich verschachtelt eine Vielzahl von einzelnen Frequenzmessungai
durchgeführt, diese Messungen werden also nicht zeitlich nacheinander sondern praktisch
gleichzeitig durchgeführt. Damit wird die Gesamtmesszeit nur unwesentlich gegenüber
der für eine einzige Messung nötigen Messzeit vergrössert. Trotzdem wird durch die
anschliessende Mittelwertsbildung aus der Vielzahl von Einzelmessungen der Messfehler
um Grössenordnungen verbessert.
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Der systematische Quantisierungsfehler wird prinzipiell vermieden,
weil systematische Fehler bei Starts und Stops kompensiert werden und kein Zähltor
vorhanden ist. Die erfin-
dungsgemässe Anordnung bringt nicht nur
eine Messfehlerverbesserung beim Messen einer Schwingung mit konstanter Frequenz
mit sich sondern sie ermöglicht vor allem auch die hochgenaue Messung der Frequenz
einer frequenzmodulierten Trägerschwingung, da auch die durch die Modulation entstehenden
Messfehler ausgemittelt werden. Die erfindungsgemässe Anordnung ist nicht nur für
die Frequenzmessung sondern in bekannter Weise auch zur Periodendauermessung geeignet,
dazu sind nur der Mess- und Referenzeingang zu vertauschen.
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Da die erfindungsgemässe Frequenzzähleranordnung auch bei extrem grossen
Frequenzhüben den Mittelwert einer Frequenz bei ausreichender Messzeit sehr genau
bestimmen kann und eine getastete Schwingung als eine durchgehende Schwingung aufgefasst
werden kann, die zwischen Frequenz null und ihrer Nennfrequenz umgeschaltet wird,
kann bei bekannter Nennfrequenz das Tastverhältnis als Quotient von angezeigter
Frequenz durch Nennfrequenz ermittelt werden. Ebenso kann bei bekanntem Tastverhältnis
die Nennfrequenz als Quotient von angezeigter Frequenz durch Tastverhältnis ermittelt
werden.
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Die erfindungsgemässe Anordnung ermöglicht nicht nur das hochgenaue
Messen von frequenzmodulierten Eingangssignalen sondern sie arbeitet auch dann noch
hochgenau, wenn die Referenzfrequenz entsprechend frequenz- oder phasenmoduliert
ist, da es ja nur auf das Verhältnis von Eingangsfrequenz zu Referenzfrequenz ankommt.
Dadurch ist es möglich, als Referenzfrequenzquelle besonders hochwertige Quarzoszillatoren
zu verwenden, die wegen ihrer geringen Schwingleistung zum starken Rauschen neigen,
ohne dass hierdurch die Messgenauigkeit leidet. Es ist auch möglich, die Referenzfrequenz
absichtlich in der Phase oder in der Frequenz zu modulieren, beispielsweise mit
nach tiefen Frequenzen begrenztem Rauschen oder mit Pseudorauschen. Dadurch wird
eine Korrela-
tion zwischen der Referenzfrequenz und der zu messendenEingangsfrequenz
verhindert und hierdurch kann auch noch der systematische Quantisienmgsfehler vermieden
werden, der bei Fast-Gleichheit von Referenz- und zu messenderFrequenz noch auftreten
könnte.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig.1 zeigt das bei einem erfindungsgemässen Frequenzzähler angewendete
Au swertprin z ip Fig.2 zeigt das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemässen Frequenzzählers
Fig.1 zeigt den zeitlichen Verlauf einer zu messenden elektrischen Schwingung, beispielsweise
eine Hochfrequenzschwingung, angedeutet durch die zeitliche Aufeinanderfolge von
beispielsweise den positiven Nulldurchgängen dieser Schwingung entsprechenden Impulsen.
Diese Impulsfolge wird dem Eingang E eines elektronischen Zählers Z, der insbesondere
als Synchronzähler ausgebildet ist, zugeführt, der Ausgang des Zählers Z ist mit
dem Eingang eines Zwischenspeichers N verbunden, dessen Ausgang entweder direkt
oder über einen nachfolgend näher beschriebenen Multiplikator K mit dem Eingang
einer Addier- und Subtrahierschaltung A verbunden ist.
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Per Ausgang dieser Schaltung A steht mit dem Eingang eines Summenspeichers
x in Verbindung, dessen Ausgang ist zum anderen Eingang der Addier- und Subtrahierschaltung
A zurückgeführt. Die einzelnen Baugruppen werden über eine Steuerschaltung S gesteuert,
die Schaltung A kann über die Steuerschaltung S auf die Betriebsart "Addieren" oder
"Subtrahieren" umgeschaltet werden, der Zähler Z und der Summenspeicher M können
über die Steuerschaltung S, der aus einer Referenzquelle R die Referenzfrequenz
als Zeitbasis zugeführt wird, auf Null zurückgestellt werden, der Zwischenspeicher
N und die Addier- und Subtrahierschaltung A sind ausserdem
über
einen Triggergenerator dieser Steuer schaltung S triggerbar. Die zeitliche Aufeinanderfolge
der einzelnen Trigger für die dem Zwischenspeicher N folgenden Baugruppen ist von
dem Trigger dieses Zwischen speichers N abgeleitet und zwar vorzugsweise als feste
Folge. Das Gleiche gilt für den Trigger des Multiplikators K.
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In der Steuerschaltung S ist eine Antikoinzidenzschaltung vorgesehen,
die mit dem Eingang E verknüpft ist. Durch diese Antikoinzidenzschaltung werden
die zunächst unabhängig vom Eingangssignal erzeugten Start- und Stop-Zeitpunkte,
die von der Referenzfrequenz abgeleitet sind, jeweils um einen geringen Betrag verschoben,
wenn sie mit einer Phasenlage des Eingangssignales zusammenfallen, die bei Nichtverschiebung
ein Zusammentreffen von Schaltvorgängen im Zähler Z und einer Uberführung (Erfassung)
des Zählerstandes dieses Zählers Z in den Zwischenspeicher N bzw. in die Addier-
und Subtrahierschaltung A bewirken könnte.
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Das Messergebnis wird dem Summenspeicher M über dessen Ausgang entnommen
und dann weiterverarbeitet bzw. angezeigt Die Arbeitsweise des Frequenzzählers nach
Fig.2 ist, dargestellt anhand eines Beispieles mit kleinen Zahlen, folgendermassen:
Zunächst werden der Zähler Z und der Speicher M auf Null zurückgestellt. Dann wird
im Zeitpunkt to der Zähler Z für die Messung der am Eingang E anliegenden Schwingung
freigegeben und gleichzeitig wird die Addier- und Subtrahierschaltung A über die
Steuerschaltung S auf "SubtrahierenH geschaltet.
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Somit wird die Anzahl der Schwingungen im Zähler Z gezählt, die beginnend
von der Nullstellung to in den Zähler einlaufen.
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In dem dargestellten Beispiel nach Fig.1 sind dies zu einem ersten
Startzeitpunkt tl beispielsweise fünf Impulse. Getriggert über die Antikoinzidenzschaltung
der Steuerschaltung S wird dieser erste Zählwert "5" des Zählers Z in den Zwischenspeicher
N eingespeichert. Die Antikoinzidenzschaltung sorgt dabei dafür, dass aus dem Synchronzähler
Z das momentane Zählergebnis nicht gleichzeitig mit der Eingabe eines Zählimpulses
am Eingang E ausgelesen wird, und zwar dadurch, dass sie den Triggerimpuls um etwa
eine halbe Periode der höchst zulässigen Eingangsfrequenz verzögert, wenn eine solche
Gleichzeitigkeit eintreten würde. Eine Antikoinzidenzschaltung mit Verzögerung ungünstiger
Eingangsimpulse wäre für den gleichen Zweck geeignet, würde aber eine Reserve bezüglich
der höchsten zulässigen Eingangsfrequenz erfordern. Das Auslesen der Zählwerte aus
dem Zähler erfolgt also immer antikoinzident mit den am Eingang anliegenden Schwingungen
bzw. den Zeitpunkten, zu denen sie den Zählerstand verändern. Die Antikoinzidenzschaltung
kann bei Anwendung eines Zähler entfallen, der mit einem Code arbeitet, der zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Zahlen jeweils nur 1 bit wechselt, beispielsweise einem
Gray-Code. Dieses Zählergebnis "5" wird dann aus dem Zwischenspeicher N der auf
"Subtrahieren" eingestellten Schaltung A zugeführt und dort von dem Inhalt des Summenspeichers
M, also von dem am Ausgang des Sunmenspeichers anliegenden Ergebnis, subtrahiert.
Zum Zeitpunkt t2 wird erneut das momentane Zählergebnis des Zählers Z in den Zwischenspeicher
N überführt und auch dieser Zählwert "12" vom Inhalt des Summenspeicher M subtrahiert.
Das Gleiche geschieht anschliessend mit dem momentanen Zählwert "17" zum Startzeitpunkt
t3 usw. bis schliesslich zu sämtlichen vorgegebenen Startzeitpunkten tn die jeweiligen
Zählwerte subtrahiert sind. Anschliessend wird dann die Schaltung A auf "Addieren"
umgeschaltet und es werden dann in gleicher Weise zu den Stopzeitpunkten
t11,t12,t13
bis tln die zu diesen Stopzeitpunkten jeweils auftretenden Zählwerte "105", "112"
und "117" aus dem Zähler Z über den Zwischenspeicher N dem momentanen Inhalt des
Summenspeichers M hinzu addiert. Die aufeinanderfolgenden Start- und Stopzeitpunkte,
die paarweise geordnet aufgefasst werden können, können beliebig gewählt werden,
es ist lediglich erforderlich, dass gleich viele Stop- und Startzeitpunkte vorhanden
sind.
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Durch den beschriebenen Vorgang der Ansteuerung der Addier-und Subtrahierschaltung
A in Kombination mit dem Summenspeicher M wird für das in Fig.1 dargestellte Zahlenbeispiel
der ebenfalls in Fig.1 angegenene Rechenvorgang durchgeführt, aus dem zu ersehen
ist, dass das am Ausgang des Summenspeichers M auftretende Zählergebnis "300" nur
noch durch die Summe der Differenzen der Stop- minus Start-Zeitpunkte, hier also
3T, geteilt werden muss, um das richtige Frequenzmessergebnis, hier "100", zu erhalten,
wenn man T mit "1" annimmt.Für diese abschliessende Division des Inhaltes des Summenspeichers
M kann an dessen Ausgang ein Teiler, etwa in Form eines Mikroprozessors, angeschaltet
werden. Am einfachsten ist es jedoch, die Summe der Messzeiten T, die ja durch den
Abstand der über die Steuerschaltung S gelieferten Triggerimpulse für Start und
Stop vorgegeben sind, so zu wählen, dass durch entsprechende Stellenverschiebung
des Ergebnisses im Summenspeicher M das Endergebnis der Frequenzmessung unmittelbar
am Ausgang dieses Summen speichers M vorliegt und zur Anzeige gebracht werden kann.
Die Stellenverschiebung geht am einfachsten im Nichtverwenden der letzten Ziffern.
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Der Abstand zwischen den einzelnen Start- und Stop-Zeitpunkten muss
nicht wie im gezeigten Beispiel konstant und gleichbleibend sein, er kann beliebig
variabel sein, er wird je-
doch vorzugsweise so gewählt, dass die
erwähnte Summe der Differenzen der paarweise zugeordneten Stop- minus Start-Zeitpunkte
einen Wert ergibt, der eine einfache Auswertung des Ergebnisses im Summenspeicher
M ermöglicht.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden zunächst sämtliche Zählwerte
zu den Startzeitpunkten t bis tn ermittelt und ausgewertet und dann erst die Zählwerte
zu den Stopzeitpunkten til bis t1n.nWenn die Addier- und Subtrahierschaltung A sehr
schnell von "Subtrahieren" auf "Addieren" und umgekehrt umgeschaltet werden kann,
ist diese Reihenfolge nicht nötig, es ist dann durchaus auch möglich, die ersten
Stopzeitpunkte vor die letzten Startzeitpunkte zu setzen und die dabei auftretenden
Zählwerte nach obigem Schema auszuwerten.
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Das Ergebnis der beschriebenen Mittelwertbildung aus den zeitlich
ineinander verschachtelt gedachten Einzelmessungen kann gemäss einer Weiterbildung
der Erfindung noch da.
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durch verbessert werden, dass die innerhalb eines Startzeitpunktbereiches
tl bis tn und die innerhalb eines Stopzeitpunktbereiches til bis ti auftretenden
einzelnen Zählwerte nicht gleichwertig im Endergebnis berücksichtigt werden sondern
nach einer vorgegebenen Funktion gewichtet berücksichtigt werden. Dabei wird von
der Erkenntnis ausgegangen, dass die Fehler der Zählwerte am Anfang und Ende der
Start- bzw. Stop-Zeitpunktsbereiche jeweils nicht durch solche, die durch entgegengesetzte
Momentanmodulation entstehen, ausgeglichen werden, wie dies in der Mitte eines solchen
Bereiches der Fall ist. Je nach Messzeit und zu messender Frequenz können gemäss
der Erfindung zehntausend, hunderttausend oder mehr einzelne Zählwerte je Messung
ermittelt werden und eine solche gewichtete Auswertung dieser Zählwerte ist deshalb
sinnvoll. Die Wichtung erfolgt dabei
vorzugsweise gemäss einer
sogenannten Fensterfunktion, wie dies auch schon zur gewichteten Auswertung bei
der Fourier-Analyse angewendet wird (Electronics, June 13, 1974, Seiten 96-102).
Analog wie bei der Fourier-Analyse wird die Bewertung und Wichtung der Zählwerte
am Anfang und Ende der Auswertintervalle vermindert. Es ist lediglich erforderlich,
die Summe der den Start-Zeitpunkten zugehörigen Wichtungen der Zählwerte gleich
der Summe der den Stop-Zeitpunkten zugehörigen Wichtungen zu machen.
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Für diese gewichtete Auswertung der Zählwerte gibt es verschiedene
Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, zwischen dem Zwischenspeicher N und
der Addier- und Subtrahierschaltung A den zusätzlichen Multiplikator K zwischenzuschalten,
der über einen entsprechenden Fensterfunktionsgenerator angesteuert ist und mit
dem die am Anfang und Ende während eines Start-Zeitpunktbereiches bzw. Stop-Zeitpunktbereiches
auftretenden Zählwerte mit einem sehr niedrigen Multiplikationsfaktor multipliziert
der Schaltung A zugeführt werden während allmählich ansteigend bis zur Mitte dieses
Bereiches und dann wieder allmählich abfallend die dazwischenliegenden Zählwerte
mit zunehmendem bzw. abnehmendem Multiplikationsfaktor bewertet werden. Der Fensterfunktionsgenerator
ist beispielsweise ein mit einem Zähler angesteuerter Nur-tese-Speicher, wobei der
Zähler jeweils die Messpunktnummer tx bis tlx mit x = 1 bis n enthält. Dieser Fensterfunktionsgenerator
ist vorzugsweise ebenfalls in der Steuerschaltung S angeordnet. Diese Multiplikationsfaktoren
müssen naturlich auch bei der G esamtzeit entsprechend berücksichtigt werden. Dazu
wird bei gleicher Fensterfunktion für die Bereiche der Start- und Stop-Zeitpunkte
die Summe der Multiplikationsfaktoren ermittelt, durch die Anzahl dieser Start-
und Stop-Zeitpunkte geteilt und damit die Gesamtmessung multipliziert, die dann
für die Ermittlung
des Endergebnisses bei der Teilung des Inhaltes
des Summenspeichers M berücksichtigt wird. Die so gewichtete Mess-; zeit kann zweckmässig
so gewählt werden, dass das Ergebnis durch stellenverschobenes Lesen des Summen
speichers M erhalten wird. Der Multiplikator K kann beispielsweise auch unmittelbar
in der Addier- und Subtrahierschaltung A eingebaut sein.
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Eine andere Möglichkeit der gewichteten Auswertung der eineinen Zählwerte
besteht darin, die Dichte dieser Start- und Stop-Zeitpunkte wiederum nach einer
Fensterfunktion am Anfang und Ende eines Bereiches geringer zu wählen als in der
Mitte, also die Abstände am Anfang und Ende eines solchen Bereiches t1 bistn bzw.
til bis tln grösser zu wählen als in der Mitte. In diesem Fall ist für die Wichtung
kein weiterer Aufwand erforderlich, die einzelne Messung wird ja gar nicht gewichtet,
nur durch die zeitliche Lage der Start-und Stop-Zeitpunkte werden Anfang und Ende
von Start- und Stop-Zeitpunktsbereich schwächer bewertet.
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Die Erzeugung zunehnreadgeringer werdender Abstände in der Steuerschaltung
S beispielsweise mittels eines rückwärts zählenden Vorwärts-Rückwärts-Zählers erfolgen,
der mit einem festen Takt angesteuert wird und der, ausgehend von einer dem grössten
Abstand entsprechenden Zahl, jeweils beim Zählerstand Null auf eine geringere Zahl
voreingestellt wird, wobei gleichzeitig mit jeder Voreinstellung ein Start- bzw.
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Stop-Trigger ausgelöst wird. Zur Erzeugung wieder wachsender Abstände
ist jedes Mal, wenn der Zählerstand Null erreicht ist, eine grössere Zahl voreinzustellen,
wobei gleichzeitig mit jeder Voreinstellung ein Start- bzw. Stop-Trigger ausgelöst
wird.
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Besonders günstig ist es, wenn diese unterschiedliche Wichtung innerhalb
eines Start-Zeitpunktbereiches bzw. Stop-Zeitpunktbereiches jeweils für paarweise
zugeordnete Zählwerte möglichst exakt gleich erfolgt, damit sich auf einfachste
Weise eine vorbestimmte Gesamtmesszeit ergibt, die eine einfache Schlussauswertung
ermöglicht. Dazu kann beispielsweise ein Triggergenerator innerhalb der Steuerschaltung
S vorgesehen sein, der ausgehend von einer für Startzeitpunkt und Stopzeitpunkt-Bereich
gleichen Anfangslage seinerseits zur Erzeugung der Stop-Impulse um die gewünschte
mittlere Messzeit T später getriggert wird als vorher zur Erzeugung der Start-Impulse.
Es genügt dann, diese Verzögerungszeit exakt von der Zeitbasis abzuleiten. Damit
können mit ein und demselben Triggergenerator die Start- und Stop-Zeitpunkte exakt
gleich erzeugt werden. Systematische Fehler des Triggergenerators werden kompensiert.
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Die Gleichheit der Verteilung der Start- und Stop-Zeitpunkte ist jedoch
nicht unbedingt nötig, wenn die erstgenannte Wichtung verwendet wird. Bei Anwendung
der Wichtung ist nicht einmal die gleiche Anzahl von Start- und Stop-Zeitpunkten
Dies wiL.leidrt e verständli erforderlich. wenn e n DelleDlgerStart- oder Stop-Zeitpunkt
der zuvor beschriebenen Anordnung durch zwei nebeneinanderliegende Zeitpunkte gleichen
Schwerpunktes und gleichen Ge-.
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samtgewichtes ersetzt wird oder umgekehrt. Im Extremfall können alle
Start- oder Stop-Zeitpunkte in einem einzigen Punkt, nämlich ihrem Schwerpunkt zusammengelegt
werden, der dann das Gesamtgewicht erhält. Dies ist natürlich nur in speziellen
Fällen sinnvoll, ewa dann, wenn die Modulation erst nach dem Meßstart anklingt und
sehr niederfrequent ist.
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Durch das Zusammenlegen der Startpunkte in einen engen Bereich wird
bewirkt, dass der Bereich der Stop-Zeitpunkte über fast die gesamte zur Verfügung
stehende Messzeit verteilt werden kann und dass die mittlere Messzeit T erhöht
ist.
Entsprechendes gilt für das Zusammenlegen der Stop-Zeitpunkte bei abklingender Modulation
der zu messenden Frequenz. Ein solcher enger Bereich ist sinnvoll in der Grössenordnung
einiger Perioden der zu messenden Frequenz zu wählen.
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Wenn für die Schnelligkeit der Auswertung und die Anzahl der möglichen
Messungen geringere Ansprüche gestellt werden, kann die Auswertung der einzelnen
aus dem Zähler Z abgefragten Zählergebnisse ganz oder zum Teil und bei weiter verringerten
Ansprüchen sogar das Zählen selbst in einem üblichen entsprechend programmierten
Mikroprozessor durchgeführt werden. Die in Fig.2 dargestellte Schaltung ist jedoch
vorzuziehen, da sie wesentlich schneller arbeitet.
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Anstelle des dargestellten einzigen Summenspeichers M und der laufenden
Addierung der einzelnen Werte in der Schaltung A können die aus dem Zähler abgefragten
einzelnen Zählwerte für die Start-Zeitpunkte auch in einem gesonderten Speicher
zwischengespeichert werden, ebenso in einem weiteren Speicher die Zählwerte der
aufeinanderfolgenden Stop-Zeitpunkte. Uber eine zusätzliche Subtrahierschaltung
könnte dann die Differenz dieser Zwischenspeicherinhalte gebildet werden, die dann
dem gewünschten Ergebnis entspricht, das dann nur noch durch die Gesamtmeßzeit geteilt
werden muss.
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Der erfindungsgemässe Frequenzteiler kann genauso gut zur Periodendauermessung
benutzt werden, in diesem Fall ist es lediglich nötig, den Referenzfrequenzeingang
R mit dem Messeingang E zu vertauschen, also den Eingang E mit einer entsprechenden
Referenzfrequenz anzusteuern und am Referenzeingang R die Schwingung anzulegen,
deren Periodendauer gemessen werden soll. Auch in diesem Fall wird die Messgenau-
igkeit
für konstante Frequenzen erhöht, es kann auch die Periodendauer von frequenzmodulierten
Schwingungen hochgenau gemessen werden.