DE3876500T2

DE3876500T2 - Gruppenlaufzeitmessvorrichtung mit automatischer einstellung des oeffnungswertes.

Info

Publication number: DE3876500T2
Application number: DE8888108819T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Itaya; Takehiko Kawauchi
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1987-06-02
Filing date: 1988-06-01
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2008-06-02
Also published as: EP0293883A1; DE3876500D1; EP0293883B1; US4845691A

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung und insbesondere eine Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung mit einer automatischen Öffnungswerteinstellfunktion gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zur Messung einer Gruppenlaufzeit (im folgenden nur als Laufzeit bezeichnet, soweit es nicht irreführend ist) eines allgemeinen elektrischen Schaltungsnetzwerks.
Aus der GB-A-2 154 751 ist ein Verfahren zum Berechnen einer Gruppenlaufzeitöffnung in einer Hochfrequenzvorrichtung bekannt, das folgendes aufweist: Messen der Gruppenlaufzeit der HF-Vorrichtung, um Gruppenlaufzeitdatenpunkte zu bilden; und Glätten der Gruppenlaufzeitdatenpunkte, um die äquivalente Öffnung, die zum Messen der Gruppenlaufzeit verwendet wird, zu ändern und dadurch den Störungsinhalt der gemessenen Gruppenlaufzeit zu ändern, wobei die Glättung über wenigstens drei benachbarte Gruppenlaufzeitdatenpunkte durchgeführt wird, so daß eine Phasenänderung von mehr als 180º über die äquivalente Öffnung erhalten wird.
Insbesondere ist ein Phasengradienten-Verfahren herkömmlich als ein Schema bekannt, um zwei Signale zu verwenden, die verschiedene Frequenzen haben, und um eine Gruppenlaufzeit aus einer Phasendifferenz der beiden Frequenzausgänge zu messen. Bei der Gruppenlaufzeitmessung auf der Basis des Phasengradienten-Verfahrens wird eine Frequenzdifferenz (die als Öffnungswert bezeichnet wird) von zwei Signalen mit verschiedenen Frequenzen auf den Optimalwert nach Maßgabe eines zu messenden Objekts, z. B. eines elektrischen Schaltungsnetzwerks, eines elektrischen Bauelements oder dergleichen, eingestellt. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung (bzw. einfach eine Laufzeitvorrichtung) mit einer automatischen Öffnungswerteinstellfunktion, die den Öffnungswert automatisch auf den Optimalwert einstellen kann.
Als Möglichkeiten zum Messen einer Gruppenlaufzeit eines elektrischen Schaltungsnetzwerks sind folgende Verfahren verfügbar: das Nyquist-Verfahren, das AM- oder FM-Wellen verwendet, das Phasengradienten-Verfahren, das ein Wobbelfrequenzsignal verwendet und den Phasengang des Wobbelfrequenzsignals differenziert, das Phasengradienten- Verfahren, das zwei Signale mit verschiedenen Frequenzen verwendet und die Messung einer Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen durchführt, usw.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels einer Meßvorrichtung auf der Basis des Phasengradienten-Verfahrens und in der JP-B-58-10711 als Stand der Technik angegeben.
Wie Fig. 1 zeigt, wird ein von einem Oszillator 1 abgegebenes Signal von einem Leistungsteiler 2 in zwei Wege aufgeteilt. Eines der Teilsignale wird einem Phasendetektor 4 durch ein zu messendes Objekt 3, wie ein elektrisches Schaltungsnetzwerk zugeführt, während das andere der Teilsignale dem Phasendetktor 4 direkt zugeführt wird. Der Detektor 4 detektiert die Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen. Ein detektiertes Phasendifferenzsignal wird von einem A/D- bzw. Analog/Digital-Wandler 5 in ein Digitalsignal umgewandelt und abgegeben. Nach Beendigung der Messung gibt der Oszillator 1 unter Steuerung durch ein Steuerteil 6 ein Signal ab, dessen Frequenz von derjenigen des Signals verschieden ist, das von dem Oszillator 1 ursprünglich abgegeben wurde. Das Ausgangssignal wird dem A/D-Wandler 5 zugeführt, so daß ein digitales Phasendifferenzsignal erhalten wird. Unter der Annahme, daß die Spannungen der auf die obige Weise gemessenen Signale V1 und V2 sind und die Frequenzdifferenz der vom Oszillator 1 abgegebenen Signale Df ist, ergibt sich die Gruppenlaufzeit D wie folgt
D α (V2 - V1)/Δf.
Es ist zu beachten, daß D = dΦ/dω, wobei Φ die Signalphasenverschiebung zwischen Δf und ω die Winkelfrequenz ist. Infolgedessen kann die so ausgelegte Vorrichtung ohne weiteres die Gruppenlaufzeit aus einer Phasenverschiebungskomponente des Objekts 3 bei verschiedenen Frequenzen erhalten.
Bei einer solchen herkömmlichen Vorrichtung treten jedoch die folgenden Probleme auf. Insbesondere ist der Detektierbereich des Phasendetektors 4 im allgemeinen -π bis +π. Wenn daher eine Phasenverschiebungskomponente außerhalb dieses Bereichs liegt, muß sie korrigiert werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn Meßwerte beispielsweise auf zwei Seiten von +π liegen, d. h. wenn sie diskontinuierlich sind, wie Fig. 2 zeigt, wird die Berechnung zum Erhalt der Gruppenlaufzeit D sehr kompliziert. Auch wenn die Präzision der Ausgangsspannung in bezug auf die Phasendifferenz des Phasendetektors 4 so weit verbessert wird, daß sie einen Fehler aufweist, der nur in einen Bereich von ±1 % fällt, hat, wenn die Messung für die diskontinuierlichen Punkte durchgeführt wird, die resultierende Präzision einen Fehler, der in einen Bereich von (2π x 1) % fällt, wodurch der Fehler vergrößert wird. Obwohl bei der herkömmlichen Vorrichtung die Präzision mit einem Fehler von (2π x 1) % sehr hoch ist, genügt sie nicht als Genauigkeit einer Gruppenlaufzeit.
Fig. 3 zeigt eine Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung gemäß der JP-B-58-10711, um die Nachteile der oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung zu beseitigen.
Gemäß Fig. 3 wird ein von einem Oszillator 11 abgegebenes Signal von einem Leistungsteiler 12 in zwei Signale geteilt. Das eine Teilsignal wird dem zu messenden Objekt 13 zugeführt, während das andere Teilsignal einem Eingang eines Phasendetektors 14 zugeführt wird. Das dem Objekt 13 zugeführte Signal wird an einen regelbaren Phasenschieber 15 abgegeben, um phasengeregelt und dann dem anderen Eingang des Phasendetektors 14 zugeführt zu werden. Der Detektor 14 detektiert eine Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen und gibt ein Detektiersignal ab. Das Detektiersignal wird dem Signaleingang eines Gleichstromverstärkers 16 zugeführt, der als Phasenregler zur Regelung der Phasenverschiebung des Phasenschiebers 15 dient. Das Detektiersignal wird außerdem von einem A/D-Wandler 17 in ein Digitalsignal umgewandelt, und das Digitalsignal wird einer Steuereinrichtung 18 zugeführt. Bei Empfang des Digitalsignals gibt die Steuereinrichtung 18 am Ausgang 18a ein Haltesignal an den Gleichstromverstärker 16 und am Ausgang 18b ein Frequenzregelungssignal an den Oszillator 11 ab.
Ein Signal mit einer Frequenz (f - Δf/2) wird der Vorrichtung mit der vorbeschriebenen Auslegung durch den Oszillator 11 zugeführt. Der Phasendetektor 14 detektiert eine Phasendifferenz zwischen einem durch das Objekt 13 erhaltenen Signal und einem Signal vom Oszillator 11 und gibt ein der Phasendifferenz entsprechendes Signal ab. Das Phasendifferenzsignal wird durch den Gleichstromverstärker 16 zu dem Phasenschieber 15 mit veränderlicher Phase gegengekoppelt. Der Phasenschieber 15 regelt die Phasenverschiebung des Ausgangssignals vom Objekt 13 so, daß eine Phasendiffernez zwischen dem Ausgangssignal des Objekts 13 und dem vom Oszillator 11 zugeführten Signal Null wird. Infolgedessen wird am Phasendetektor 14 ein Nullsignal abgegeben. Das Nullsignal wird der Steuereinrichtung 18 durch den A/D-Wandler 17 zugeführt. Bei Empfang des digitalen Nullsignals unterbricht die Steuereinrichtung 18 die Gegenkopplung zum Phasenschieber 15, die von dem Verstärker 16 durchgeführt wird, um den vom Phasenschieber 15 erhaltenen Phasenverschiebungssteuerwert zu halten, während sie gleichzeitig ein Signal an den Oszillator 11 liefert. Bei Empfang des Signals gibt der Oszillator 11 ein Signal mit einer Frequenz (f + Δf/2) ab, und der Phasendetektor 14 detektiert eine Phasendifferenz zwischen dem vom Oszillator 11 abgegebenen Signal und dem durch das Objekt 13 zugeführten Signal. In diesem Fall wird die Gegenkopplung durch den Verstärker 16 auf die oben beschriebene Weise unterbrochen. Daher führt der Phasenschieber 15 eine Phasenverschiebungsregelung des durch das Objekt 13 zugeführten Signals auf den Phasenverschiebungssteuerwert durch, der vorher für eine Frequenz (f - Δf/2) eingestellt wurde. Daher gibt der Phasendetektor 14 ein Signal ab entsprechend der Phasenverschiebung des Objekts 13 für eine Frequenzänderungskomponente
(f + Δf/2) - (f - Δf/2) = Δf.
Auf diese Weise wird mit dieser Vorrichtung eine Phasendifferenz, die von dem Phasendetektor 14 für die Frequenz (f - Δf/2) detektiert wird, auf Null geregelt, und unter dieser Bedingung wird eine Phasendifferenz für die Frequenz (f + Δf/2) detektiert. Da also mit dieser Vorrichtung die Detektierung der Phasendifferenz ständig in bezug auf eine Phasendifferez Null als Referenzwert durchgeführt wird, kann der Detektierbereich normalerweise ±π sein. Die Detektierung der Phasendifferenz für diskontinuierliche Punkte wird im Gegensatz zu dem konventionellen Fall nicht durchgeführt, und eine kontinuierliche Detektierung kann ständig im Bereich der Mitte des Detektierbereichs durchgeführt werden. Der Fehler im Meßsignal hängt nur von dem Fehler des Phasendetektors 14, z. B. 1 %, ab, und die Meßgenauigkeit kann auf dem hohen Wert von 1 % gehalten werden.
Wenn eine Laufzeit eines zu messenden Objekts von einem Netzwerkanalysator unter Verwendung einer Gruppenlauf zeitmeßvorrichtung auf der Basis des oben beschriebenen Phasengradienten-Verfahrens zu messen ist, wird ein Öffnungswert eingestellt. Wie bekannt ist, wird eine Laufzeit erhalten durch Berechnen eines Differentials eines Phasengradienten von Phasengängen. Wenn dabei unter Bezugnahme auf das Diagramm von Fig. 4 die Phasen für zwei verschiedene Frequenzen f&sub1; = f&sub0; + ΔF/2 und f&sub2; = f&sub0; - ΔF/2 mit θ&sub1; bzw. θ&sub2; eingestellt sind, kann die Laufzeit τ nach Maßgabe der folgenden Gleichung erhalten werden:
τ = dθ/dω = Δθ/2π ΔF = Δθ/360º ΔF ... (1),
wobei θ eine Phasenverschiebung, ω eine Winkelfrequenz, Δθ ein Phasendifferenzwert und ΔF ein Frequenzdifferenzwert (Öffnungswert) sind.
Bei einem konstanten Phasendifferenzwert Δθ ist, wie aus der Gleichung (1) hervorgeht, der Meßbereich der Laufzeit τ umso enger, je größer der Öffnungswert ΔF, d. h. je weiter die Öffnung ist; je enger die Öffnung (der kleinere Öffnungswert ΔF), umso weiter ist der Meßbereich der Laufzeit τ. Daher wird der Laufzeitmeßbereich automatisch nach Maßgabe des Öffnungswerts ΔF bestimmt.
Bei der konventionellen Laufzeitmessung unter Verwendung beispielsweise des Netzwerkanalysators, wie oben beschrieben, wird der Öffnungswert ΔF speziell durch einen Meßfrequenzbereich bestimmt, der vor der Messung in der Meßvorrichtung eingestellt wird. Da gemäß Fig. 5 die Zahl N von Anzeigebildpunkten eines Bildschirms A in Horizontalrichtung beispielsweise mit 512 festgelegt ist, entspricht diese Zahl der Zahl N von Meßpunkten. Wenn daher der Meßfrequenzbereich S, der in der Meßvorrichtung einzustellen ist, festgelegt wird, wird die Frequenz unter den Meßpunkten fn-1, fn, fn+1 und fn+2 speziell mit S/N festgelegt.
In der konventionellen Meßvorrichtung wird die mit S/N bezeichnete Frequenz direkt verwendet und als Öffnungswert ΔF eingestellt. Wenn also mit anderen Worten der Meßfrequenzbereich S festgelegt wird, wird der Öffnungswert ΔF = S/N automatisch eingestellt, und der Laufzeitbereich wird dementsprechend eingestellt, wie aus der Gleichung (1) hervorgeht.
Bei dem konventionellen Verfahren wird jedoch der Öffnungswert ΔF ungeachtet eines zu messenden Objekts bestimmt, und eine optimale Öffnung für das zu messende Objekt wird nicht bestimmt, weil die Laufzeitwerte in Abhängigkeit von zu messenden Objekten auch bei Durchführung der Messung im gleichen Frequenzbereich verschieden sind. Beispielsweise hat bei der Messung von Filterlaufzeitcharakteristiken ein Filter wie etwa ein Quarzfilter einen sehr hohen Gütewert Q, und ein anderes Filtern wie etwa ein LCR-Filter hat einen sehr niedrigen Gütewert Q. Die Phasengradienten ihrer Phasengänge sind je nach den zu messenden Objekten verschieden. Wenn der Öffnungswet ΔF eng eingestellt ist, dann entsprechen die tatsächlichen Laufzeitcharakteristiken der Strichlinie, wie Fig. 6 zeigt. Die hügelartigen Bereiche des Diagramms, die π überschreiten, kollabieren daher, und das resultierende Laufzeitdiagramm entspricht dann der Vollinie. Wenn immer ein weiter Öffnungswert ΔF eingestellt ist, um diesen Nachteil auszuschließen, tritt bei θ = π eine Phasenumkehrung ein, und ein breiter Dynamikbereich kann nicht erhalten werden. Daher kann ein weiter Öffnungswert ΔF nicht immer eingestellt werden. Auf diese Weise wird bei dem konventionellen Verfahren eine optimale Öffnung für ein zu messendes Objekt nicht eingestellt. Bei dem nach dem konventionellen Verfahren eingestellten Öffnungswert können manche Objekte nicht gemessen werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung mit automatischer Öffnungswerteinstellfunktion anzugeben, die eine Laufzeit zu einem gegebenen Zeitpunkt, während dessen ein Öffnungswert geändert wird, mißt, und wobei ein Öffnungswert erhalten werden kann, der eine maximale Laufzeit ergibt, so daß automatisch nach Maßgabe eines zu messenden Objekts eine optimale Öffnung detektiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung angegeben, die folgendes aufweist:
- eine Einrichtung, um ein zu messendes Signal einzugeben;
- eine Überlagerungsoszillatoreinrichtung, um ein Überlagerungsoszillatorsignal, das eine vorbestimmte Frequenz hat, zu überlagern;
- eine Frequenzumsetzereinrichtung, um das zu messende Signal, das von der Signaleingabeeinrichtung geliefert wird, und das Überlagerungsoszillatorsignal, das von der Überlagerungsoszillatoreinrichtung geliefert wird, zu empfangen und ein Zwischenfrequenzsignal abzugeben;
- eine Phasendetektoreinrichtung, die mit der Frequenzumsetzereinrichtung verbunden ist, um die Phase des Zwischenfrequenzsignals zu detektieren; und
- eine A/D-Wandlereinrichtung, um ein Phasendetektierausgangssignal, das von der Phasendetektoreinrichtung geliefert wird, zu empfangen und einen entsprechenden Digitalwert abzugeben;
und gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- eine Öffnungswert-Speichereinrichtung, um eine Vielzahl von Öffnungswerten zu speichern, wobei jeder Öffnungswert jeweils durch ein vorbestimmtes Frequenzband, das mit einem vorbestimmten Schritt inkrementiert wird, ausgelesen wird;
- eine Meßfrequenzeinstelleinrichtung, um eine gewünschte Meßfrequenz einzustellen;
- eine erste Steuereinrichtung, um einen Öffnungswert von der Öffnungswert-Speichereinrichtung und die gewünschte Meßfrequenz von der Meßfrequenzeinstelleinrichtung zu empfangen und um zu bewirken, daß die Überlagerungsoszillatoreinrichtung Signale mit ersten und zweiten Frequenzen überlagert, wobei die Signale durch den Öffnungswert im Bereich der gewünschten Meßfrequenz voneinander getrennt sind;
- eine Recheneinrichtung, die mit der A/D-Wandlereinrichtung und der Öffnungswert-Speichereinrichtung gekoppelt ist, um eine Gruppenlaufzeit des zu messenden Signals in Abhängigkeit von dem Öffnungswert und von zwei Digitalwerten, die den jeweiligen Phasendetektierausgangssignalen entsPrechen, die von der Phasendetektoreinrichtung geliefert werden, zu berechnen, wenn die Überlagerungsoszillatoreinrichtung die Signale mit den ersten und zweiten Frequenzen überlagert;
- eine Bestimmungseinrichtung, um zu bestimmen, ob ein Ausgangssignal von der Recheneinrichtung bezüglich der Gruppenlaufzeit größer als ein vorbestimmter Referenzwert ist; und
- eine zweite Steuereinrichtung, die mit der Meßfrequenzeinstelleinrichtung und der Bestimmungseinrichtung gekoppelt ist, um zu bewirken, daß die Öffnungswert-Speichereinrichtung mit dem Lesen und Inkrementieren des Öffnungswerts in Abhängigkeit von der gewünschten Meßfrequenz zum Zeitpunkt der Initialisierung und wenn bestimmt worden ist, daß das Ausgangssignal bezüglich der Gruppenlaufzeit kleiner als der Referenzwert ist, beginnt, und um zu bewirken, daß die Öffnungswert- Speichereinrichtung mit dem Lesen und Inkrementieren des Öffnungswerts aufhört, wenn bestimmt worden ist, daß das Ausgangssignal bezüglich der Gruppenlaufzeit größer als der Referenzwert ist.
Diese und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der folgenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Beispiels einer konventionellen Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung;
Fig. 2 ein Diagramm, das einen Detektierbereich eines Phasendetektors von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren konventionellen Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung;
Fig. 4 ein Diagramm von Phasengängen zur Erläuterung einer Phasengradientendifferenz;
Fig. 5 einen Bildschirm zur Erläuterung der Öffnungswerteinstellung bei einer konventionellen Laufzeitmessung;
Fig. 6 einen Bildschirm zur Erläuterung einer Laufzeitcharakteristik-Anzeige gemäß dem konventionellen Verfahren;
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung mit automatischer Öffnungswerteinstellfunktion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 Öffnungswerte, die den jeweiligen Einstellbereichen zugeordnet sind, die in der Öffnungswerttabelle von Fig. 7 gespeichert sind;
Fig. 9 ein Diagramm einer gewünschten Meßfrequenz f0, die durch die Meßfrequenzeingabeeinrichtung von Fig. 7 eingegeben wird; und
Fig. 10 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Vorrichtung von Fig. 7.
Zuerst wird das Prinzip der Erfindung kurz beschrieben. Das Phasengradienten-Verfahren wird bei der Laufzeitmeßvorrichtung der Erfindung verwendet. Phasenwerte θ&sub1; und θ&sub2; an Positionen, die voneinander durch den Öffnungswert ΔF getrennt sind, werden als die beiden Phasen detektiert, die zum Berechnen der Phasendifferenz genutzt werden. Die Werte θ&sub1; und θ&sub2; werden in Digitalwerte umgewandelt, so daß sie einer Rechenoperation unter Verwendung eines Mikroprozessors unterworfen werden können.
Eine von einem Uberlagerungsoszillator überlagerte Frequenz wird mit einer Frequenz eines zu messenden Signals, das durch einen Schaltkreis gegangen ist und dessen Laufzeit zu messen ist, gemischt, um ein Zwischenfrequenzsignal zu erhalten. Dadurch wird die Berechnung von Phasenwerten an Positionen, die voneinander um ΔF getrennt sind, einfach.
Alternativ kann eine Laufzeit aus der Differenz zwischen den Phasenwerten und ΔF berechnet werden.
Der Öffnungswert wird bevorzugt möglichst groß eingestellt, um die Meßgenauigkeit zu verbessern. In bezug auf einen Referenzwert, der zur Bestimmung eines großen Öffnungswerts genutzt wird, wird dieser mit einem Maximalwert bestimmt, wobei Δθ nicht größer als π ist. Das gleiche Konzept wird auf eine Laufzeit angewandt.
Eine Öffnungswerttabelle wird erstellt, um einen Öffnungswert allmählich so zu vergrößern, daß er annähernd dem des Diskriminierungs-Referenzwerts entspricht. Es wird bevorzugt, daß Werte in dieser Tabelle um eine Exponentialfunktion von 2 ansteigen, um die digitale Verarbeitung zu vereinfachen. In der Praxis können aber Werte verwendet werden, die der Exponentialfunktion von 2 angenähert sind.
Wenn eine Erhöhung von ΔF an einem Punkt unterbrochen wird, an dem Δθ angenähert π ist oder an dem eine Laufzeit entsprechend Δθ erhalten wird aus Δθ (wobei Δθ = π und Δθ < π) und ΔF, dann kann ein optimaler Öffnungswert eingestellt werden. Es ist eine Einrichtung zum automatischen Einstellen eines solchen optimalen Öffnungswerts vorgesehen.
Zu diesem Zweck hat die Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung mit automatischer Öffnungswerteinstellfunktion bei der Laufzeitmessung gemäß der Erfindung einen Frequenzumsetzer, einen Phasendetektor, einen Meßfrequenzeinstelleinheit, eine Öffnungswerttabelle, eine Überlagerungssignal- Steuereinrichtung, eine Recheneinheit und eine Diskriminiereinheit. Der Frequenzumsetzer mischt ein Uberlagerungssignal, das von einem Überlagerungsoszillator überlagert wird, mit einem zu messenden Eingangssignal, wodurch ein Zwischenfrequenzsignal erhalten wird. Der Phasendetektor detektiert eine Phase des von dem Zwischenfrequenzumsetzer zugeführten Zwischenfrequenzsignals. Die Meßfrequenzeinstelleinheit empfängt eine gewünschte Meßfrequenz f&sub0; der zu messenden Signalwellenform. In der Öffnungswerttabelle wurden bereits vorher Öffnungswerte ΔFn gespeichert, die entsprechenden Einstellbereichen n zugeordnet sind, um den optimalen Öffnungswert ΔF entsprechend einem zu messenden Objekt einzustellen. Die Überlagerungsfrequenz-Steuereinrichtung steuert die von dem Überlagerungsoszillator überlagerte Frequenz auf f&sub0; - ΔFn/2 und f&sub0; + ΔFn/2 unter Verwendung der gewünschten Meßfrequenz f&sub0;, die in die Meßfrequenzeinstelleinheit eingegeben wurde, und des Öffnungswerts ΔFn, der aus der Öffnungswerttabelle gelesen wird. Die Recheneinheit berechnet die Laufzeit τn des zu messenden Signals aus Ausgangssignalen θ&sub2; und θ&sub1; des Phasendetektors, wenn die von dem Überlagerungsoszillator überlagerten Frequenzen f&sub0; - ΔFn/2 bzw. f&sub0; + ΔFn/2 sind. Wenn die von der Recheneinheit berechnete Laufzeit τn größer als ein vorbestimmter Wert ist, bestimmt die Diskriminiereinheit den entsprechenden Wert ΔFn als den Öffnungswert. Wenn die Laufzeit τn kleiner als der vorbestimmte Wert ist, veranlaßt die Diskriminiereinheit die Öffnungswerttabelle, den dem nächsten Einstellbereich n + 1 zugeordneten Öffnungswert ΔFn+1 auszulesen. Eine optimale Öffnung eines zu messenden Objekts kann somit automatisch detektiert und nach Maßgabe des Objekts eingestellt werden.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden mehrere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Erste Ausführungsform

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung mit automatischer Öffnungswerteinstellfunktion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 8 zeigt Beispiele von Öffnungswerten, die den Einstellbereichen zugeordnet und in der Öffnungswerttabelle von Fig. 7 gespeichert sind. Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Eingabe der gewünschten Meßfrequenz f0 durch die Meßfrequenzeinstelleinheit von Fig. 7 erläutert. Fig. 10 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb der Vorrichtung von Fig. 7 erläutert.
Gemäß Fig. 7 hat ein Frequenzumsetzer 20 einen Mischer 21 und einen Überlagerungsoszillator 22. Die Vorrichtung hat außerdem einen Phasendetektor 23, einen A/D-Wandler 24, eine Recheneinheit 25, eine Bestimmungseinheit 26, eine Öffnungswerttabelle 27, eine Überlagerungsfrequenz- Steuereinrichtung 28, eine Meßfrequenzeinstelleinheit 29, einen Datenprozessor 30 und eine Anzeigeeinheit 31. Die Recheneinheit 25, die Bestimmungseinheit 26, die Überlagerungsfrequenz-Steuereinrichtung 28 und der Datenprozessor 30 können in einem Mikroprozessor CPU enthalten sein.
Ein Meßsignal, das durch ein zu messendes Objekt, z. B. ein elektrisches Schaltungsnetzwerk und ein elektrisches Bauelement, eingegeben wird, wird im Mischer 21 des Frequemzumsetzers 20 von einem Überlagerungssignal vom Überlagerungsoszillator 22 in ein Zwischenfrequenz- bzw. ZF- Signal umgesetzt und dann einem Phasendetektor 23 zugeführt. Es sei angenommen, daß, wenn der Öffnungswert ΔFn ist und die Überlagerungsfrequenzen vom Oszillator 22 f&sub0; - ΔFn/2 und f&sub0; + ΔFn/2 sind, die Ausgangssignale des Detektors 23 θ&sub2; bzw. θ&sub1; sind, wobei f&sub0; eine gewünschte Meßfrequenz ist, die durch die Meßfrequenzeinstelleinheit 29 eingegeben wird und auf einen Wert eingestellt ist, der annähernd demjenigen einer zu überwachenden Frequenz entspricht, und wobei ΔFn der Öffnungswert ist, der einer Einstellbereichszahl n zugeordnet und aus der Öffnungswerttabelle 27 ausgelesen ist. Dies wird noch im einzelnen erläutert.
Ferner ist der Betrieb des Phasendetektors 23 entsprechend der Beschreibung von Fig. 3, und er hat eine Originalphasendetektoreinrichtung, einen Gleichstromverstärker und eine veränderliche Phasenschiebeeinrichtung. Die Funktionen des A/D-Wandlers und der Steuereinrichtung von Fig. 3 entsprechen denen des A/D-Wandlers 24 bzw. der Überlagerungsfrequenz- Steuereinrichtung 28. Somit kann zwar eine Phasendifferenz von θ&sub2; - θ&sub1; gemessen werden, aber sie wird immer noch zu ±π. Wenn der Phasendetektor 23 arbeitet, um innerhalb eines kleinen Bereichs von θ&sub2; und θ&sub1; zu messen, ist es nicht erforderlich, daß der Phasendetektor 23 die oben beschriebenen Funktionen hat.
Die Recheneinheit 25 berechnet die Laufzeit τn aus den Ausgangssignalen θ&sub2; und θ&sub1;, dem Ausgangssignal vom Phasendetektor 23 und dem entsprechenden Öffnungswert ΔFn, der aus der Öffnungswerttabelle 27 ausgelesen wird, wenn die Überlagerungsfrequenzen des Überlagerungsoszillators 22 f&sub0; - ΔFn/2 und f&sub0; + ΔFn/2 sind, nach Maßgabe der folgenden Gleichung:
τn = (θ&sub2; - θ&sub1;)/(360º × Fn) = Δθ/(360º × ΔFn) ... (2).
Die Bestimmungseinheit 26 vergleicht die von der Recheneinheit 25 berechnete Laufzeit τn mit einem vorbestimmten Bestimmungswert t, beispielsweise einem Meßwert, der 1/2mal oder l/2,5mal dem Laufzeitbereich entspricht. Der Wert t als ein Referenzwert ist so vorgegeben, daß die Phasendifferenz Δθ ein Maximalwert ist, der ±π nicht überschreitet. Bei τn ≥ t wird der aus der Öffnungswerttabelle 27 gelesene aktuelle Öffnungswert ΔFn als der optimale Öffnungswert ΔF für das zu messende Objekt bestimmt. Bei τn < t jedoch gibt die Bestimmungseinheit 25 ein Signal ab, um aus der Öffnungswerttabelle 27 den Öffnungswert ΔFn+1 auszulesen, der der nächsten Einstellbereichszahl n + 1 zugeordnet ist.
In der Öffnungswerttabelle 27 wurden vorher Öffnungswerte ΔFn gespeichert, die Einstellbereichszahlen n zugeordnet sind, wie Fig. 8 zeigt. Fig. 8 zeigt ein Beispiel der Öffnungswerttabelle. Die maximale Einstellbereichszahl K und ein entsprechender Öffnungswert werden willkürlich von einer Meßvorrichtung eingestellt und gespeichert, so daß der Öffnungswert umso größer ist, je größer der Einstellbereich n ist, wie nachstehend beschrieben wird. Bei diesem Beispiel sind die Öffnungswerte 1, 2, 4, 10, 20, 40, 100, 200 und 400 Hz; 1, 2, 4, 10, 20, 40, 100, 200 und 400 kHz; und 1, 2 und 4 MHz, die exponentiell erhöht werden, um einen Zahleneinstellbereich zu inkrementieren.
Die Meßfrequenzeinstelleinheit 29 empfängt die gewünschte Meßfrequenz f&sub0;. Wenn das zu messende Objekt ein Filter ist, wird die Mittenfrequenz des Filters als gewünschte Meßfrequenz f&sub0; gewählt. Wenn durch Abtasten und Messen der Meßfrequenz mit der Meßfrequenzeinstelleinheit 29 gefunden wird, daß das zu messende Objekt unbekannte Laufzeitcharakteristiken hat, werden sie auf dem Bildschirm A als eine Kurve dargestellt, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Ein Markierungspunkt zum Lesen der Frequenz wird an den Spitzenwert der Kurve gesetzt, wodurch eine gewünschte Meßfrequenz f&sub0; erhalten wird. In diesem Fall repräsentiert der Verlauf der Charakteristik keine Messung eines optimalen Zustands, aber die Meßfrequenz f&sub0; der Laufzeitcharakteristik ergibt eine gewünschte Meßfrequenz.
Die Überlagerungsfrequenz-Steuereinrichtung 28 gibt ein Steuersignal an den Uberlagerungsoszillator 22 ab, so daß der Überlagerungsoszillator 22 zwei verschiedene Überlagerungsfrequenzen f&sub0; - ΔFn/2 und f&sub0; + ΔFn/2 auf der Basis der gewünschten Meßfrequenz f&sub0;, die von der Frequenzeinstelleinheit 29 eingegeben wurde, und des aus der Öffnungswerttabelle 27 ausgelesenen Öffnungswerts ΔFn abgibt.
Der Betrieb der Vorrichtung von Fig. 7 wird unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm von Fig. 10 beschrieben.
Die gewünschte Meßfrequenz f&sub0; wird von der Meßfrequenzeinstelleinheit 29 eingegeben. Wenn der runde volle Markierungspunkt B in die Spitzenposition der Laufzeitkurve auf dem Bildschirm A gemäß Fig. 9 gesetzt ist, wird die Frequenz am Markierungspunkt B, d. h. die Meßfrequenz f&sub0;, erhalten (Schritt S1). In Schritt S2 initialisiert ein Mikroprozessor CPU einen internen Wiederholungszähler 32, um einen Öffnungswert von 1 Hz, der der Einstellbereichszahl 0 zugeordnet ist, auszulesen, und liest den Öffnungswert ΔF&sub0; = 1 Hz, der dem Einstellbereich 0 zugeordnet ist, aus der Öffnungswerttabelle 27. In Schritt S3 gibt die Überlagerungsfrequenz-Steuereinrichtung 28 ein Steuersignal an den Uberlagerungsoszillator 22 ab, so daß der Überlagerungsoszillator 22 die Überlagerungsfrequenz f&sub0; - ΔF&sub0;/2 = f&sub0; - 1/2 abgibt auf der Basis der von der Frequenzeinstelleinheit 29 eingegebenen Meßfrequenz f&sub0; und des aus der Öffnungswerttabelle 27 gelesenen Öffnungswerts ΔF&sub0; = 1 Hz. In Schritt 54 gibt der Uberlagerungsoszillator 22 ein Signal mit einer Überlagerungsfrequenz f&sub0; - ΔF&sub0;/2 ab, und somit wird ein Ausgangssignal, d. h. eine Phase θ&sub2;, vom Phasendetektor 23 erhalten. Das Ausgangssignal θ&sub2; wird von dem A/D-Wandler 24 digitalisiert und in die Recheneinheit 25 eingegeben. Anschließend gibt die Frequenzsteuereinrichtung 29 ein Steuersignal in Schritt S5 an den Überlagerungsoszillator 22 ab, so daß der Überlagerungsoszillator 22 eine Überlagerungsfrequenz f&sub0; + ΔF&sub0;/2 = f&sub0; + 1/2 abgibt. In Schritt S6 gibt der Oszillator 22 ein Signal mit einer Überlagerungsfrequenz f&sub0; + ΔF&sub0;/2 ab, und somit wird ein Ausgangssignal, d. h. die Phase θ&sub1;, vom Phasendetektor 23 erhalten. Das Ausgangssignal θ&sub1; wird vom Wandler 24 digitalisiert und in die Recheneinheit 25 eingegeben. Die Recheneinheit 25 empfängt außerdem den Öffnungswert ΔF&sub0; = 1 Hz, der aus der Öffnungswerttabelle 27 gelesen und dem Einstellbereich 0 zugeordnet ist, und führt die Berechnung der Gleichung (2) aus, und zwar.
τo = (θ&sub2; - θ&sub1;)/(360º x F&sub0;) = Δθ/(360º x 1).
Das Rechenergebnis wird der Bestimmungseinheit 26 zugeführt. In Schritt 58 diskriminiert die Bestimmungseinheit 26 einen größeren Wert aus dem Wert der von der Recheneinheit 25 zugeführt ist, und dem vorbestimmten Bestimmungswert t, d. h. einen Meßwert von 1/2 des Laufzeitbereichs. Bei τo < t wird von der Bestimmungseinheit 26 ein Steuersignal an die Öffnungswerttabelle 27 durch den Zähler 32 in Schritten S9 und S10 abgegeben, um den Öffnungswert ΔF&sub1; = 2 Hz zu lesen, der dem nächsten Einstellbereich 1 zugeordnet ist. Infolgedessen wird der dem Einstellbereich 1 zugeordnete Öffnungswert inkrementiert, und der Wert F&sub1; = 2 Hz wird aus der Öffnungswerttabelle 27 gelesen. Dann werden vom Überlagerungsoszillator 22 Signale mit Überlagerungsfrequenzen f&sub0; - ΔF&sub1;/2 = f&sub0; - 1 und f&sub0; + ΔF&sub1;/2 = f&sub0; + 1 abgegeben, und entsprechende Phasen θ&sub2; und θ&sub1; für Frequenzen f&sub0; - θF&sub1;/2 und f&sub0; + θF&sub1;/2 werden vom Phasendetektor 23 erhalten. τ&sub1; wird von der Recheneinheit 25 aus den Phasen θ&sub2; und θ&sub1; und dem aus der Öffnungswerttabelle 27 gelesenen Öffnungswert ΔF&sub1; entsprechend der folgenden Gleichung berechnet:
τ&sub1; = (θ&sub2; - θ&sub1;)/(360º × ΔF&sub1;) = Δθ/(360º × 2).
Die Bestimmungseinheit 26 vergleicht τ&sub1; und den Bestimmungswert t. Bei τ&sub1; < t werden die Schritte S3 bis S10 wiederholt.
In Schritt S8, wenn τn ≥ t von der Bestimmungseinheit 26 erhalten wird, wenn der der Einstellbereichszahl n zugeordnete Öffnungswert ΔF aus der Öffnungswerttabelle 27 ausgelesen wird, wird der entsprechende Öffnungswert ΔFn, der der aktuellen Einstellbereichszahl n zugeordnet ist, als der optimale Öffnungswert ΔF für das zu messende Objekt bestimmt, und der Wert ΔFn wird in der Meßvorrichtung eingestellt.
Die Öffnungswerte werden sequentiell aus der Öffnungstabelle 27 bis herunter zu dem Wert ΔFk ausgelesen, der der Einstellbereichszahl K zugeordnet ist. Bei τk < t wird der dem entsprechenden Einstellbereich K zugeordnete Wert ΔFk als der optimale Öffnungswert ΔF für das zu messende Objekt bestimmt (Schritt 59).
Auf diese Weise wird, wenn die gewünschte Frequenz f&sub0; von der Meßfrequenzeinstelleinheit 29 eingestellt ist, der optimale Öffnungswert ΔF des zu messenden Objekts automatisch detektiert und in der Meßvorrichtung eingestellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 haben moderne Einrichtungen, die als A/D-Wandler 24 verwendet werden, eine hohe Umwandlungsgeschwindigkeit. Daher kann der Wandler 24 auch als Phasendetektor 23 dienen. In diesem Fall braucht kein gesonderter Phasendetektor 23 vorgesehen zu sein. Auch wenn jedoch der Wandler 24 als Detektor 23 dient, muß eine Phasendifferenz zwischen zwei verschiedenen Frequenzen erhalten werden, wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht. Daher wird ein Phasendetektor praktisch benötigt.

Zweite Ausführungsform

Die erste Ausführungsform kann auf folgende Weise modifiziert werden. Insbesondere wird der Öffnungswert ΔF allmählich erhöht, bis eine Differenz zwischen gemessenen Phasenwerten θ&sub1; und θ&sub2; von zwei Frequenzen f&sub1; und f&sub2;, die voneinander durch den Öffnungswert ΔF getrennt sind, zu einem Maximalwert wird, der ±π nicht überschreitet.
Bei dieser Ausführungsform braucht die Recheneinheit 25 nur die Differenz Δθ zwischen θ&sub1; und θ&sub2; zu berechnen, im Gegensatz zur Ausführung der Berechnung von Gleichung (1). In diesem Fall kann ein Öffnungswert um einen Schritt vor einem, der Δθ > π ergibt, eingestellt werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der Erfindung ein optimaler Öffnungswert automatisch detektiert und nach Maßgabe eines zu messenden Objekts eingestellt werden. Daher kann eine hochpräzise Laufzeitmessung durchgeführt werden.

Claims

1. Gruppenlaufzeitmeßvorrichtung, die folgendes aufweist:

- eine Einrichtung, um ein zu messendes Signal einzugeben;

- eine Überlagerungsoszillatoreinrichtung (22), um ein Überlagerungsoszillatorsignal, das eine vorbestimmte Frequenz hat, zu überlagern;

- eine Frequenzumsetzereinrichtung (20), um das zu messende Signal, das von der Signaleingabeeinrichtung geliefert wird, und das Überlagerungsosziillatorsignal, das von der Überlagerungsoszillatoreinrichtung (22) geliefert wird, zu empfangen und ein Zwischenfrequenzsignal abzugeben;

- eine Phasendetektoreinrichtung (23), die mit der Frequenzumsetzereinrichtung (20) verbunden ist, um die Phase des Zwischenfrequenzsignals zu detektieren; und

- eine A/D-Wandlereinrichtung (24), um ein Phasendetektierausgangssignal, das von der Phasendetektoreinrichtung (23) geliefert wird, zu empfangen und einen entsprechenden Digitalwert abzugeben;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner folgendes aufweist:

- eine Öffnungswert-Speichereinrichtung (27), um eine Vielzahl von Öffnungswerten zu speichern, wobei jeder Öffnungswert jeweils durch ein vorbestimmtes Frequenzband, das mit einem vorbestimmten Schritt inkrementiert wird, ausgelesen wird;

- eine Meßfrequenzeinstelleinrichtung (29), um eine gewünschte Meßfrequenz einzustellen;

- eine erste Steuereinrichtung (28), um einen Öffnungswert von der Öffnungswert-Speichereinrichtung (27) und die gewünschte Meßfrequenz von der Meßfrequenzeinstelleinrichtung (29) zu empfangen und um zu bewirken, daß die überlagerungsoszillatoreinrichtung (22) Signale mit ersten und zweiten Frequenzen überlagert, wobei die Signale durch den Öffnungswert im Bereich der gewünschten Meßfrequenz voneinander getrennt sind;

- eine Recheneinrichtung (25), die mit der A/D-Wandlereinrichtung (24) und der Öffnungswert-Speichereinrichtung (27) gekoppelt ist, um eine Gruppenlauf zeit des zu messenden Signals in Abhängigkeit von dem Öffnungswert und von zwei Digitalwerten, die den jeweiligen Phasendetektierausgangssignalen entsprechen, die von der Phasendetektoreinrichtung (23) geliefert werden, zu berechnen, wenn die Überlagerungsoszillatoreinrich tung (22) die Signale mit den ersten und zweiten Frequenzen überlagert;

- eine Bestimmungseinrichtung (26), um zu bestimmen, ob ein Ausgangssignal von der Recheneinrichtung (25) bezüglich der Gruppenlaufzeit größer als ein vorbestimmter Referenzwert ist; und

- eine zweite Steuereinrichtung (26, 32), die mit der Meßfrequenzeinstelleinrichtung (29) und der Bestimmungseinrichtung (26) gekoppelt ist, um zu bewirken, daß die Öffnungswert-Speichereinrichtung (27) mit dem Lesen und Inkrementieren des Öffnungswerts in Abhängigkeit von der gewünschten Meßfrequenz zum Zeitpunkt der Initialisierung und wenn bestimmt worden ist, daß das Ausgangssignal bezüglich der Gruppenlaufzeit kleiner als der Referenzwert ist, beginnt, und um zu bewirken, daß die Öffnungswert-Speichereinrichtung (27) mit dem Lesen und Inkrementieren des Öffnungswerts aufhört, wenn bestimmt worden ist, daß das Ausgangssignal bezüglich der Gruppenlaufzeit größer als der Referenzwert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Recheneinrichtung (25), die mit der A/D-Wandlereinrichtung (24) gekoppelt ist, eine Phasendifferenz in Abhängigkeit von zwei Digitalwerten berechnet, die den jeweiligen Phasendetektierausgangssignalen entsprechen, die von der Phasendetektoreinrichtung (23) geliefert werden, wenn die Überlagerungsoszillatoreinrichtung (22) die Signale mit den ersten und zweiten Frequenzen überlagert;

daß die Bestimmungseinrichtung (26) bestimmt, ob ein Absolutwert des Phasendifferenzausgangssignals von der Recheneinrichtung (25) größer als π ist; und daß die zweite Steuereinrichtung (26, 32), die mit der Meßfrequenzeinstelleinrichtung (29) und der Bestimmungseinrichtung (26) gekoppelt ist, bewirkt, daß die Öffnungswert-Speichereinrichtung (27) mit dem Lesen und Inkrementieren des Öffnungswerts nach Maßgabe der gewünschten Meßfrequenz zum Zeitpunkt der Initialisierung und wenn bestimmt worden ist, daß ein Bestimmungsergebnis bezüglich der Phasendifferenz kleiner als π ist, beginnt, und bewirkt, daß die Öffnungswert-Speichereinrichtung (27) mit dem Lesen und Inkrementieren des Öffnungswerts aufhört, wenn bestimmt worden ist, daß ein Bestimmungsergebnis bezüglich der Phasendifferenz größer als π ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß der vorbestimmte Referenzwert so ausgewählt ist, daß die Phasendifferenz zwischen den beiden Digitalwerten ein Maximalwert ist, der ± π nicht überschreitet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Öffnungswert, der in der Öffnungswert-Speichereinrichtung (27) gespeichert ist, als eine Exponentialfunktion von 2 inkrementiert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Steuereinrichtung (26, 32) einen Wiederholungszähler (32) aufweist, der bei Initialisierung auf Null gesetzt und sequentiell inkrementiert wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung ferner folgendes aufweist:

- eine Datenverarbeitungseinrichtung (30), um ein Ausgangssignal von der Recheneinrichtung (25) zu empfangen und eine vorbestimmte Verarbeitung durchzuführen; und

- eine Anzeigeeinrichtung (31), um ein Ausgangssignal von der Datenverarbeitungseinrichtung (30) anzuzeigen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß die gewünschte Meßfrequenz, die von der Meßfrequenzeinstelleinrichtung (29) eingestellt ist, durch Einstellen eines Frequenzlese-Markierungspunkts auf einen Spitzenwert einer Kurve erhalten wird, die auf der Anzeigeeinrichtung (3l) angezeigt wird und das Meßsignal darstellt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß die ersten und zweiten Frequenzen, die von der Überlagerungsoszillatoreinrichtung (22) überlagert werden, f&sub0; - ΔF/2 bzw. f&sub0; + ΔF/2 sind, wobei f&sub0; = die Meßfrequenz und ΔF = der Öffnungswert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Öffnungswert die Werte von 1, 2, 4, 10, 20, 40, 100, 200 und 400 Hz; 1, 2, 4, 10, 20, 40, 100, 200 und 400 kMz; und 1, 2 und 4 MHz umfaßt.