DE3877008T2

DE3877008T2 - Geraet zur sukzessiven umwandlung von zeitperioden in spannung.

Info

Publication number: DE3877008T2
Application number: DE8888101480T
Authority: DE
Inventors: Mishio Hayashi
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1988-02-02
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2008-02-03
Also published as: EP0277638A2; US4769798A; DE3877008D1; EP0277638A3; JPH0820473B2; EP0277638B1; JPS63191970A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur sukzessiven Umsetzung von Zeitspannen in Spannung, die sich zur Messung einer Änderung der Drehzahl beispielsweise eines Motors oder einer Maschine eignet.
Die Dauer eines Eingangsimpulses, das heißt seine Zeitlänge, wird gewöhnlich mit Hilfe einer Vorrichtung gemessen, wie sie beispielsweise in der US-A-4,611,926 offenbart ist. Diese Vorrichtung enthält eine Torschaltung, einen Taktgenerator und einen Zähler. Bei dieser Vorrichtung wird die Torschaltung während der Dauer des Eingangsimpulses geöffnet gehalten, die Anzahl von Taktimpulsen des Taktgenerators, die die Torschaltung durchlaufen haben, wird von dem Zähler gezählt, und man erhält so den Zählwert als einen der gemessenen Impulsbreite entsprechenden Wert. Die Messgenauigkeit einer solchen Vorrichtung hängt von der Frequenz der verwendeten Taktimpulse ab. Wenn beispielsweise ein 10 MHz Takt verwendet wird, beträgt die Auflösung der gemessenen Zeitlänge 100 ns. Gegenwärtig liegt jedoch die Frequenz, mit der der Zähler betrieben werden kann, bei höchstens 500 MHz, und, wenn ein 500 MHz Takt verwendet wird, beträgt die Genauigkeit der Zeitmessung 2 ns oder so. Folglich ist es schwierig, mit einer solchen Zeitmessvorrichtung die Zeitmessung mit höherem Genauigkeitsgrad durchzuführen.
Darüberhinaus ist die oben erwähnte Vorrichtung so ausgelegt, daß sie sukzessiv die Breiten einer Reihe von Impulsen mißt. Wenn diese Vorrichtung beispielsweise zur Messung von Impulsen eingesetzt wird, werden gewöhnlich nur abwechselnde Impulsperioden, etwa die vom ersten zum zweiten Impuls, vom dritten zum vierten Impuls, vom fünften zum sechsten Impuls etc. gemessen, aber die Perioden vom zweiten zum dritten Impuls, vom vierten zum fünften Impuls etc. werden nicht gemessen.
Dieser Fehler stellt ein ernsthaftes Hindernis bei der Mes-Sung einer Änderung der Geschwindigkeit eines Präzisionsmotors oder der genauen Messung einer Änderung der Geschwindigkeit einer Maschine dar.
Zur Messung einer Änderung der Geschwindigkeit einer drehenden Maschine, ist es im Stand der Technik üblich, ein Verfahren einzusetzen, bei dem ein Impulsgeber der zu messenden Drehwelle zugeordnet wird und bei jeder Umdrehung der Drehwelle wenigstens einen Impuls erzeugt, wobei dann die Zeitintervalle jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden dieser Impulse gemessen werden und damit die Änderung der Drehgeschwindigkeit gemessen wird.
Mit der vorgenannten Vorrichtung, die das Zeitintervall nur bei jedem zweiten Impuls messen kann, wird eine Änderung in der Geschwindigkeit der Drehwelle nur für jede zweite Umdrehung gemessen. Der Zustand der Drehung der Drehwelle kann also nicht kontinuierlich gemessen werden.
Selbst wenn eine Vielzahl von Impulsen bei jeder Umdrehung der Drehwelle erzeugt wird, ist es immer noch unmöglich, den Zustand einer kontinuierlichen Änderung der Geschwindigkeit oder Drehzahl der Drehwelle während einer Umdrehung derselben zu messen.
Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der EP-A-0 165 144 offenbart. Die Vorrichtung dieser Druckschrift ist lediglich in der Lage, Zeitintervalle zwischen ersten und zweiten Signalen, zwischen dritten und vierten Signalen, zwischen fünften und sechsten Signalen usw. zu messen, und nicht in der Lage, jene zwischen dem zweiten und dritten Signal, zwischen dem vierten und fünften Signal usw. zu messen.
Die US-A-4 112 358 offenbart eine digitale Frequenzmesseinrichtung mit Wandlern, die gleichzeitig mit Signalen gespeist werden, während ihre Ausgangssignale gleichzeitig einem A-D- Umsetzer zugeführt werden. Darüberhinaus erwähnt diese Druck-Schrift nicht das Rücksetzen eines der Wandler nach Stoppen der Integration des anderen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur sukzessiven Umsetzung einer Zeitspanne in eine Spannung zu schaffen, die in der Lage ist, die Intervalle zwischen allen auftretenden Signalen zu messen, um so die Zeit- bzw. Frequenzmessung zu verbessern.
Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, so wie sie beansprucht wird, gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Bruchteilszeit zwischen jedem von aufeinanderfolgenden Eingangsimpulsen und einem entsprechenden Taktimpuls in ein Spannungssignal umgesetzt, und zwar abwechselnd von einem ersten und einem zweiten Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzer. Die Spannungssignale von den beiden Umsetzern werden an einen Umschalter angelegt, in dem die Verteilung der Spannungssignale so geschaltet wird, daß das frühere der beiden aufeinanderfolgenden Spannungssignale immer auf einem festen Signalweg geliefert wird, während das spätere Spannungssignal auf dem anderen festen Signalweg geliefert wird. Die beiden so geschalteten Spannungssignale werden einem analogen Subtrahierer geliefert, von dem die spätere Bruchteilszeit immer von der früheren subtrahiert wird, wodurch man das Differenzsignal zwischen ihnen erhält. Folglich kann man dieses Differenzsignal für jede Periode des Eingangspulses erhalten.
Andererseits wird mittels eines Zählers die Anzahl von Taktimpulsen, die in die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eingangsimpulsen fallen, gezählt, und der Zählwert wird von einem D-A-Umsetzer in eine analoge Spannung entsprechend der Anzahl gezählter Taktimpulse umgesetzt.
Die analoge Spannung und das Differenzsignal werden an einen Addierer angelegt, von dem sie zusammenaddiert werden, wodurch man die Zeitspanne zwischen den aufeinanderfolgenden beiden Eingangsimpulsen erhält.
Wie oben beschrieben, erlaubt die vorliegende Erfindung die Messung der von beispielsweise zwei aufeinanderfolgenden Eingangsimpulsen definierten Zeitspanne. Folglich erlaubt die vorliegende Erfindung bei Anwendung auf die Messung einer Änderung der Geschwindigkeit oder Drehzahl einer drehenden Maschine eine kontinuierliche Messung des Zustands der Drehung ihrer Drehwelle.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des bekannten Prinzips einer Zeitintervallmessung;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 3A bis 3W sind Wellenformdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist ein Schaltbild, das ein spezielles Arbeitsbeispiel eines Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzers zur Verwendung bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist ein Schaltbild, das ein spezielles Arbeitsbeispiel eines Umschalters zur Verwendung bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist ein Schaltbild, das ein spezielles Arbeitsbeispiel eines analogen Subtrahierers zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 7 ist ein Schaltbild, das ein spezielles Arbeitsbeispiel eines Addierers zur Verwendung bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 soll zunächst das bekannte Prinzip der Messung eines Zeitintervalls T beschrieben werden. Bezeichnet man die Periode eines Bezugstakts mit T&sub0;, dann ist das zu messende Zeitintervall T gegeben durch folgenden Ausdruck:
T = Tn + Δt&sub1; - Δt&sub2; = N T&sub0; + ΔT&sub1; - ΔT&sub2; ...(1)
wobei N die Anzahl von Taktimpulsen ist, die während der Dauer eines Eingangssignals S gezählt werden, Tn das Zeitintervall von einem unmittelbar nach Anstieg des Eingangssignals S erzeugten Taktimpuls bis zu einem unmittelbar nach Abfall des Eingangssignals S erzeugten Taktimpuls ist, das heißt N T&sub0;, und Δt&sub1; und Δt&sub2; Bruchteilszeiten vom Anstieg bzw. Abfall des Eingangssignals S bis zum jeweils direkt danach auftretenden Taktimpuls sind. In diesem Fall kann jede der Bruchteilszeiten Δt&sub1; und Δt&sub2;, die im mittleren Term des Ausdrucks (1) enthalten sind, gemessen werden. In der Praxis erfolgt jedoch, da es einfach ist, die Gesamtsumme jeder Bruchteilszeit und eines Intervalls einer gewissen Anzahl K von aufeinanderfolgenden Taktimpulsen zu messen, die Messung gewöhnlich aufgrund des rechten Terms des Ausdrucks (1). Das heißt, ΔT&sub1; und ΔT&sub2; sind allgemein gegeben durch:
ΔT&sub1; = KT&sub0; + Δt&sub1; ...(2)
ΔT&sub2; = KT&sub0; + Δt&sub2; ...(3)
Es ist ersichtlich, daß der Ausdruck (1) für eine gegebene ganze Zahl K gilt. Fig. 1 zeigt den Fall von K = 1. Die Zählung von Taktimpulsen zur Messung des Zeitintervalls Tn muß nicht immer nur innerhalb des zu messenden Zeitintervalls T erfolgen, sondern das Zählen kann auch von dem Taktimpuls, der unmittelbar nach Beginn des Intervalls Tn erscheint, bis zu dem Taktimpuls nach dessen Ende erfolgen. Das Ziel könnte auch dadurch erreicht werden, daß in ähnlicher Weise die Taktimpulse für eine Zeitspanne gezählt werden, die gegenüber dem Intervall Tn um eine vorbestimmte Anzahl von Takten verzögert ist. In der Praxis erhält man das Zeitintervall T mit hoher Genauigkeit, basierend auf dem Ausdruck (1), durch Zählen der Anzahl von Taktimpulsen N unter Verwendung eines Zählers und genauer Messung der Bruchteilszeiten ΔT&sub1; und ΔT&sub2; auf irgendeine Weise.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die grundsätzliche Anordnung der Zeitspannen-Spannungs- Umsetzvorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält: Einen Signaldetektor 102, der die Anstiegs- oder Abfallflanke (im folgenden wird zum Zweck der Kürze nur auf die Anstiegsflanke verwiesen werden) jedes Eingangsimpulses erfaßt, der an einen Eingangsanschluß 101 angelegt wird; erste und zweite Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzer 103 und 104, die abwechselnd für eine Reihe von Eingangsimpulsen eine Bruchteilszeit in ein Spannungssignal umsetzen, wobei die Bruchteilszeit definiert ist durch Starten einer Integration mit dem erfaßten Ausgangssignal vom Signaldetektor 102 und Stoppen der Integration nach Ankunft einer vorbestimmten Anzahl (K) von Taktimpulsen nach Beginn der Integration, also definiert ist durch das Zeitintervall zwischen dem Anstieg jedes Eingangsimpulses und dem Ende der Integration; einen Umschalter 105, durch den frühere und spätere der beiden aufeinanderfolgenden Spannungssignale von dem ersten und dem zweiten Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzer 103 und 104, im Hinblick auf die Reihenfolge der Zeitfolge der entsprechenden Eingangsimpulse, auf festen Signalwegen 113 bzw. 114 geliefert werden; einen analogen Subtrahierer 106, der ein Differenzsignal zwischen den Spannungssignalen, die von dem Umschalter 105 geliefert werden, dadurch ermittelt, daß das spätere Spannungssignal von dem früheren subtrahiert wird; ein Tor 107 zur Extraktion von Taktimpulsen, die in einem Intervall auftreten, das jeder von den aufeinanderfolgenden zwei Eingangsimpulsen definierten Zeitdauer entspricht; einen Zähler 108 zum Zählen der von dem Tor 107 extrahierten Taktimpulse; einen D-A-Umsetzer 109 zur Umsetzung des Zählwerts des Zählers 108 in eine analoge Form; und einen Addierer 111 zum Zusammenaddieren des Spannungssignals von dem D-A-Umsetzer 109 und des Differenzsignals von dem analogen Subtrahierer 106.
Wenn die Stromversorgung der Zeitspannen-Spannungs-Umsetzvorrichtung eingeschaltet wird, wird ein Rücksetzsignal (1) das in Fig. 3A gezeigt ist, erzeugt, das an jeweilige Teile der Vorrichtung angelegt wird und sie in ihre Ausgangszustände zurücksetzt. Der Signaldetektor 102 ist bei dieser Ausführungsform von einem JK-Flipflop gebildet. Das JK-Flipflop 102 wird an seinem Triggeranschluß T mit einer Reihe von Eingangsimpulsen (2) (siehe Fig.3B) gespeist, die an den Eingangsanschluß 101 angelegt werden.
Das JK-Flipflop 102 liefert an seinen Ausgangsanschlüssen Q und Rechteckwellen (4) und (5) entgegengesetzter Polarität, die in den Figuren 3D und 3E gezeigt sind. Die Rechteckwellen (4) und (5) werden an den ersten bzw. den zweiten Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzer 103 bzw. 104 angelegt.
Der erste und der zweite Bruchteilszeit-Spannungs-(nachfolgend vereinfacht zu T-V)-Umsetzer 103 und 104 können gemäß Darstellung in Fig. 4 aufgebaut sein aus einem D-Flipflop 302, einem Pegelumsetzer 303, einer analogen Integrationsschaltung 306, einem analogen Schalter 307 zur Steuerung der Zufuhr der Integrationsspannung an die analoge Integrationsschaltung 306 und einer Integrationszeitsteuerschaltung 308.
In Fig.4 bezeichnet die Bezugszahl 301 einen Eingangsanschluß bei jedem von dem ersten und dem zweiten Bruchteil-T-V-Umsetzer 103 und 104. Vor dem Anlegen der Rechteckwelle (4) oder (5) an den Eingangsanschluß 301 bleibt das D-Flipflop 302 in seinem Rücksetzzustand, und ein L Signal an seinem Q Ausgang hält die Integrationszeitsteuerschaltung 308 in ihrem Rücksetzzustand. Die Rechteckwelle (4) oder (5) wird von dem Signaldetektor 102 über den Eingangsanschluß 301 zum Triggeranschluß T des D-Flipflops 302 geliefert. Das D-Flipflop 302 wird an seinem Dateneingang D ständig mit einem H-Logiksignal beliefert.
Bei der obigen Anordnung liest das D-Flipflop 302 das H Signal unter der Zeitsteuerung des Anstiegs der Rechteckwelle (4) oder (5) ein und liefert ein H Signal an seinem Ausgangsanschluß Q. Das Ausgangssignal des D-Flipflops 302 wird über einen Puffer 304, der den Pegelumsetzer 303 bildet, der analogen Integrationsschaltung 306 geliefert.
Die Analoge Integrationsschaltung 306 ist aus einem Operationsverstärker 311, einem Integrationskondensator 312, der zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Operationsverstärkers 311 geschaltet ist, einem Schalter 313, der parallel zu dem Integrationskondensator 312 geschaltet ist, und einem Integrationswiderstand 314 aufgebaut.
Der Schalter 313 der analogen Integrationsschaltung 306 wird normalerweise im Einschaltzustand gehalten, wobei er im Integrationskondensator 312 gespeicherte Ladungen entlädt. Wenn die Rechteckwelle (4) oder (5), die an den Eingangsanschluß 301 eines Bruchteil-T-V-Umsetzers angelegt wird, ansteigt und das D-Flipflop 302 das Ausgangssignal des Logikwerts H abgibt, wird der Schalter 313 ausgeschaltet. Zur gleichen Zeit wird die Integrationszeitsteuerschaltung 308 aus ihrem Rücksetzzustand gelöst. Ein Flipflop 316, das die Integrationszeitsteuerschaltung 308 bildet, wird aus seinem initialisierten Rücksetzzustand gelöst und liefert, bis es an seinem Triggeranschluß T mit einem Triggersignal beaufschlagt wird, an seinem Q Ausgang ein Ausgangssignal des Logikwerts L, womit der Analogschalter 307 im Einschaltzustand gehalten wird. Wenn folglich der Schalter 313 durch das Q Ausgangssignal von dem vorgenannten Flipflop 302 eingeschaltet wird, beginnt die analoge Integrationsschaltung 306 unmittelbar eine Integration.
Die Integrationszeit der analogen Integrationsschaltung 306 wird von dem Frequenzteilerverhältnis 1/K eines Frequenzteilers 315 bestimmt, der die Integrationszeitsteuerschaltung 308 bildet. Das heißt, wenn der Frequenzteiler 315 durch das Q Ausgangssignal des Flipflops 302 aus seinem Rücksetzzustand gelöst wird, frequenzteilt er die Taktimpulse (3) und, wenn er K Taktimpulse gezählt hat, legt er das Triggersignal an das Flipflop 316 an.
Wenn das Flipflop mit dem Triggersignal beliefert wird, liest es ein Eingangssignal des Logikwerts H, das an seinem Datenanschluß anliegt, ein und liefert ein Ausgangssignal des Logikwerts H an seinem Ausgangsanschluß Q, wodurch der Analogschalter 307 ausgeschaltet wird. Bei dieser Ausführungsform wird auf diese Weise die Integrationszeit jedes des ersten und des zweiten Bruchteil-T-V-Umsetzers 103 und 104 zu der Zeit bestimmt, vom Anstieg des Eingangsimpulses (2) zum Anlegen des K-ten Taktimpulses (3).
Der Integrationsbetrieb stoppt, wenn nach Ausschalten des Analogschalters 307 die Zufuhr einer Integrationsspannung -E an die analoge Integrationsschaltung 306 gestoppt wird. Einer der Bruchteil-T-V-Umsetzer wird vom Integrationsbetrieb bis nach dem Anlegen des nächsten Eingangsimpulses (2) ausgenommen, und seine Bruchteilszeit wird von dem anderen Bruchteil-T-V-Umsetzer in ein Spannungssignal umgesetzt, wie in Fig 3S oder 3T gezeigt.
Die Bruchteilszeit des nächsten Eingangsimpulses wird von dem anderen Bruchteil-T-V-Umsetzer in das Spannungssignal in gleicher Weise wie oben beschrieben umgesetzt. Die Spannungssignale entsprechend den beiden Bruchteilszeiten, die man auf diese Weise mit den beiden Bruchteil-T-V-Umsetzern 103 und 104 erhält, werden dem analogen Subtrahierer 106 geliefert, wo das spätere der Spannungssignale von dem früheren Spannungssignal subtrahiert wird, so daß man die Differenz zwischen ihnen erhält, wie in Fig. 3U gezeigt. Wenn auf diese Weise die Differenz erhalten wurde, wird ein Rücksetzsignal (17) oder (18) über ein ODER-Glied 318 an einen Rücksetzanschluß R des D-Flipflops 302 angelegt, wodurch die Bruchteil-T-V-Umsetzer 103 und 104 zurückgesetzt werden.
Ein UND-Glied 317 stellt eine Einrichtung zum Extrahieren eines Signals dar, das den Zustand repräsentiert, in dem die Bruchteilszeit in das Spannungssignal umgesetzt wird, und das UND-Glied 317 liefert an einem Ausgangsanschluß 319 einen Impuls (6) oder (7), der in Fig. 3F oder 3G gezeigt ist. Der Impuls (6) oder (7) wird an eine Steuerungseinrichtung 115 angelegt, in der er zur Erzeugung von Steuersignalen dient, die in jeweiligen Teilen verwendet werden.
Mit erneuter Bezugnahme auf Fig. 2 umfaßt die Steuerungseinrichtung 115 ODER-Glieder 116, 117, 118 und 119, UND-Glieder 121, 122, 123 und 124, JK-Flipflops 125, 126 und 127, ein D- Flipflop 128, einen Frequenzteiler 129 und monostabile Multivibratoren 131 und 132.
Das ODER-Glied 116 bildet eine Einrichtung, durch die die Impulse (6) und (7) von den Bruchteil-T-V-Umsetzern 103 und 104 zu einem Signal (8) einer Serie kombiniert werden. Der so erhaltene Puls (8) wird über ein ODER-Glied 117 an einen Triggeranschluß T des JK-Flipflops 125 und über das UND-Glied 123 und das ODER-Glied 118 an einen Triggeranschluß T des JK- Flipflops 126 angelegt.
Das JK-Flipflop 126 liefert ein Rechteckwellensignal (11), das in Fig. 3X gezeigt ist. Das Rechteckwellensignal (11) wird an das UND-Glied 107 angelegt, über das die Taktimpulse (3) von einem Taktgeber 110 an den Zähler 108 geliefert werden, solange das Rechteckwellensignal (11) hohen Pegel hat. Fig. 3L zeigt die Impulse (12), die an den Zähler 108 angelegt werden. Der Zähler 108 zählt die Impulse (12), und der Zählwert wird von dem D-A-Umsetzer 109 in eine analoge Spannung (22) umgesetzt, die an den Addierer 111 geliefert wird.
Eine Verarbeitungszeit τM wird zur Erzeugung einer Ausgangsspannung (23), die einer Zeitspanne in Verbindung mit jedem Eingangsimpuls (2) entspricht, und zur Entladung des Integrationskondensators 312 in dem ersten und dem zweiten Bruchteil-T-V-Umsetzer 103 und 104 durch Impulse (17) und (18) bereitgestellt. Die Verarbeitungszeit τM beginnt bei einem Taktimpuls, wo der Integrationsvorgang jedes der Bruchteil-T- V-Umsetzer 103 und 104 abschließt, und endet zu dem Zeitpunkt, wenn M Taktimpulse gezählt wurden.
Zur Schaffung der Verarbeitungszeit τM wird der Zählwert des Zählers 108 auf einen um M kleineren Wert als den tatsächlichen Wert gesetzt. Zu diesem Zweck verwendet diese Ausführungsform einen voreinstellbaren Zähler als Zähler 108, und im Anfangszustand, bei dem das Zählen beginnt, wird ein numerischer Wert M, der in einem Register 120 voreingestellt ist, in den Zähler 108 voreingestellt, so daß letzterer ausgehend von dem voreingestellten Wert M zu zählen beginnt.
Ein Steuersignal (13) zur Steuerung des Umschalters 105 wird von dem JK-Flipflop 127 erzeugt. Das JK-Flipflop 127 liefert das Steuersignal (13) als Rechteckwelle, die ihre Polarität bei jedem Abfall eines Signals (9) umkehrt, das heißt bei jedem Ende der Verarbeitungszeit τM, wie in Fig. 3M dargestellt. Das Steuersignal (13) wird an den Umschalter 105 angelegt, um dessen Schaltvorgang zu steuern. Bei dieser Ausführungsform ist der Umschalter 105 so ausgebildet, daß seine beweglichen Kontakte C mit Kontakten A oder B abhängig davon verbunden sind, ob das Steuersignal (13) hohen oder niedrigen Pegel hat.
Bei mit den Kontakten A verbundenen beweglichen Kontakten C überträgt der Umschalter 105 das Ausgangssignal des ersten Bruchteil-T-V-Umsetzers 103 auf den Signalweg 113 und das Ausgangssignal des zweiten Bruchteil-T-V-Umsetzers 104 auf den Signalweg 114. Wenn die beweglichen Kontakte C mit den Kontakten B verbunden sind, überträgt der Umschalter 105 das Ausgangssignal des ersten Bruchteil-T-V-Umsetzers 103 auf den Signalweg 114 und das Ausgangssignal des zweiten Bruchteil-T- V-Umsetzers 104 auf den Signalweg 113.
Fig. 5 zeigt ein spezielles Arbeitsbeispiel des Umschalters 105. Das Steuersignal (13) wird an einen Steuereingangsanschluß 401 angelegt, von dem es über einen Pegelumsetzer 402 zu den Gates von Schaltelementen 403 bis 406 geliefert wird und die Schaltelemente 403 und 406 und die Schaltelemente 404 und 405 ein- und ausschaltet, und zwar jeweils abwechselnd jedesmal, wenn ein festes Zeitintervall M x T&sub0; nach dem Ende der Integration bei einem von den ersten und zweiten Bruchteil-T-V-Umsetzern 103 und 104 abgelauften ist. Durch diesen Schaltvorgang werden ein Bruchteilssignal Δv2m-1 von dem ersten Bruchteil-T-V-Umsetzer 103 und ein Bruchteilssignal Δv2m von dem zweiten Bruchteil-T-V-Umsetzer 104 abwechselnd untereinander umgeschaltet, und ein Bruchteilssignal Δvn, das bezüglich eines Eingangsimpulses (2) erhalten wird, wird auf den Signalweg 113 geliefert, während ein Bruchteilssignal Δvn+1, das bezüglich des nächsten Eingangsimpulses (2) erhalten wird, auf den Signalweg 114 geliefert wird. Die Signalwege 113 und 114 sind an Plus- bzw. Minus-Anschlüsse des analogen Subtrahierers 106 angeschlossen.
Mit solch einer Anordnung kann die Subtraktion des Ausgangssignals des zweiten Bruchteil-T-V-Umsetzers 104 von dem Ausgangssignal des ersten Bruchteil-T-V-Umsetzers 103 und die Subtraktion des letzteren von dem ersteren untereinander abwechselnd dadurch umgeschaltet werden, daß der Umschalter 105 so gesteuert wird, daß er synchron mit der Periode des Eingangspulses (2) schaltet.
Infolgedessen liefert der analoge Subtrahierer 106 an seinem Ausgang ein Differenzsignal (21) durch Subtraktion von dem Spannungssignal ΔVn, das zur vorangehenden Zeitsteuerung erhalten wurde, des Spannungssignals ΔVn+1, das bei der momentanen Zeitsteuerung erhalten wird, das heißt ΔVn - ΔVn+1 (Fig. 3U). Das Differenzsignal (21) von dem analogen Subtrahierer 106 und das Ausgangssignal (22) (Fig. 3V) von dem D-A- Umsetzer 109 werden von dem Addierer 111 zusammenaddiert. Das addierte Ausgangssignal von dem Addierer 111 wird in einer Abtast-Halte-Schaltung 112 abgetastet und gehalten, und deren Ausgangssignal liegt an einem Ausgangsanschluß 133 an. Das Abtasten und Halten durch die Abtast-Halte-Schaltung 112 wird von einem Impuls (15) (Fig. 30) zeitgesteuert, der von dem monostabilen Multivibrator 131 abgegeben wird. Der Impuls (l5) von dem monostabilen Multivibrator 131 wird außerdem an den monostabilen Multivibrator 132 angelegt. Zum Zeitpunkt des Abfalls des Impulses (15) wird der monostabile Multivibrator 132 getriggert und erzeugt den Impuls (16). Der Impuls (16) wird über das ODER-Glied 119 an einen Voreinstellanschluß PS des Zählers 108 geliefert und stellt in diesem den Anfangswert M beispielsweise beim Anstieg des Impulses (16) ein.
Der Impuls (16) wird außerdem an die beiden UND-Glieder 121 und 122 geliefert. Diese beiden UND-Glieder 121 und 122 werden von dem Steuersignal (13) von dem JK-Flipflop 127 synchron mit der Periode des Eingangspulses (2) so gesteuert, daß sie untereinander abwechselnd bereit und gesperrt sind. Folglich werden die aufeinanderfolgenden Impulse (16) von den beiden UND-Gliedern 121 und 122 auf Impulssignale (17) und (18) zweier Serien aufgeteilt, wie in den Figuren 3Q und 3R gezeigt. Die Impulssignale (17) und (18) der beiden Serien, werden dem ersten bzw. dem zweiten Bruchteil-T-V-Umsetzer 103 und 104 geliefert und initialisieren abwechselnd deren Integrationsschaltungen 306 und Integrationszeitsteuerschaltungen 308.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind Zeitspannen P&sub1;, P&sub2;, ..., aufgrund des Zeitdiagramms von Fig. 3 in gleicher Weise wie Ausdruck (1) gegeben durch
Allgemein gilt folgende Beziehung
Pn = NnT&sub0; + ΔTn - ΔTn+1 ...(4)
wobei ΔTn und ΔTn+1 abgelaufene Zeiten von dem Anstieg des n- ten bzw. des (n+1)-ten Eingangsimpulses zum K-ten Taktimpuls sind, wobei K von der Frequenzteilerzahl des Frequenzteilers 315 bestimmt wird, der in der Integrationszeitsteuerschaltung 308 enthalten ist, und K gleich oder größer als 2 gewählt wird. Der Grund dafür ist, daß, wenn K = 1, die oben erwähnten ΔTn und ΔTn+1 manchmal Null werden und die Integrationsschaltung betriebsunfähig machen können. Der Wert von Nn stellt den Zählwert des Zählers 108, der in Fig. 1 gezeigt ist, dar. Wie vorher erwähnt, ist der Zähler 108 ein voreinstellbarer Zähler, in den die Frequenzteilerzahl M des Frequenzteilers 129 voreingestellt wird.
Die Frequenzteilerzahl M des Frequenzteilers 129 ist so gewählt, daß sie in folgender Beziehung zu τS und τp wie in Fig. 3 gezeigt, steht.
MT&sub0; > τS+ τp ... (5)
Wobei T&sub0; die Taktperiode, τS eine Abtastzeit bei der Abtast- Halte-Schaltung 112 und τS die Zeit zur Voreinstellung des Zählers 108 oder Rücksetzung jedes der Bruchteil-T-V-Umsetzer 103 und 104 sind.
Der Zählausgangswert Nn des Zählers 108 wird an den D-A- Umsetzer 109 angelegt, von dem er in eine Spannung Nn V&sub0; umgesetzt wird, wobei V&sub0; ein konstanter Schrittspannungswert ist, um den das Ausgangsspannungssignal (22) des D-A-Umsetzers 109 sich jedesmal ändert, wenn der Zähler 108 um Eins inkrementiert oder dekrementiert wird. Der Spannungswert V&sub0; ist 10 mal größer als die minimale Auflösung des D-A-Umsetzers 109 gewählt, wenn dem Wert des Differenzsignals (21) eine Stelle eine Größenordnung geringer als die Stelle von V&sub0; zugewiesen wird.
Als Folge davon wird das Zeitintervall Nn T&sub0;, das von dem Zählwert Nn und der Periode T&sub0; der Taktimpulse (3) bestimmt wird, in die Dimension einer Spannung, daß heißt Nn V&sub0; umgesetzt.
Die Bruchteilszeiten ΔT2m-1 und ΔT2m werden wie folgt in Spannungen umgesetzt:
Δv2m-1 = (E/CR)ΔT2m-1 für ungeradzahlige Eingangsimpulse (6)
Δv2m = (E/CR)ΔT2m für geradzahlige Eingangsimpulse (7)
wobei E eine Integrationsspannung ist, die über den Schalter 307 an die Integrationsschaltung 306 geliefert wird, und CR eine Integrationszeitkonstante ist, die von den Werten des Kondensators 312 und des Widerstands 314, die in Fig. 4 gezeigt sind, bestimmt wird. Diese Spannungen Δv2m-1 und Δv2m werden, wenn sie an den Umschalter 105 angelegt werden in eine Folge von Δvn und Δvn+1, eine nach der anderen, neu geordnet. Damit ergibt sich
Δvn = (E/CR)ΔTn ...(8)
Δvn+1 = (E/CR)ΔTn+1 ...(9)
Fig. 6 zeigt ein spezielles Arbeitsbeispiel des analogen Subtrahierers 106. Es sei angenommen, daß die Werte der Widerstände 501 und 502 einander gleich und R&sub1; seien und die Werte der Widerstände 503 und 504 einander gleich und R&sub2; seien. Dann werden die Ausgangssignale ΔVn und ΔVn+1 des Subtrahierers 106, die von diesem ausgegeben werden, wenn eine seiner Eingangsspannungen Δvn und Δvn+1 Null gemacht wird, zu:
ΔVn = (R&sub2;/R&sub1;)Δvn, ΔVn+1 = (R&sub2;/R&sub1;)Δvn+1 ...(10)
folglich gilt die Beziehung:
ΔVn - ΔVn+1 = (R&sub2;/R&sub1;) (Δvn - Δvn+1) ...(11)
Da dieses Ausgangssignal an den Addierer 111 zur Addition zu dem Ausgangssignal Nn V0 des D-A-Umsetzers 109 angelegt wird, müssen sie gleich skaliert sein. Zu diesem Zweck ist die folgende Gewichtung erforderlich.
ΔVn - ΔVn+1 MAX = V&sub0; ...(12)
Aus den Ausdrücken in (8 bis 12) folgt,
V&sub0; = R&sub2;/R&sub1; Δvn - Δvn+1 MAX
= (R&sub2;/R&sub1;) (E/CR) ΔTn - ΔTn+1 MAX
= (R&sub2;/R&sub1;) (E/CR) T&sub0; ...(13)
Daher ergibt sich der Verstärkungsfaktor R&sub2;/R&sub1;, der für den analogen Subtrahierer 106 erforderlich ist, zu:
R&sub2;/R&sub1; = CRV&sub0; /ET&sub0; ...(14)
Daher kann jede Zeitspanne Pn zweier aufeinanderfolgender Eingangsimpulse (2), die durch den Ausdruck (1) gegeben ist, unter Verwendung der Ausdrücke (8), (9), (10) und (14) in eine Spannung Vn umgesetzt werden, die durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:
Vn = NnV&sub0; + ΔVn - ΔVn+1 ...(15)
Fig. 7 zeigt ein spezielles Arbeitsbeispiel des Addierers 111. Nimmt man die Werte der Widerstände 601 und 602 als gleich und durch R&sub3; dargestellt an und den Wert des Widerstands 603 als R&sub4;, dann ergibt sich der Verstärkungsfaktor des Addierers 111 zu R&sub4;/R&sub3;.
Folglich wird das Resultat der Addition, V'n, des Eingangssignals (ΔVn - ΔVn+1) und des Ausgangssignals Nn V&sub0; des D-A- Umsetzers in folgender Form geliefert:
V'n = (R&sub4;/R&sub3;) (NnV&sub0; + ΔVn - ΔVn+1) ...(16)
Ein Vergleich der Ausdrücke (15) und (16) zeigt, daß die Ausgangsspannung V'n des Addierers 111 proportional der Spannung Vn und damit proportional der Zeitspanne Pn ist.
Bei der vorangegangenen Beschreibung ist das Torsignal (11), das in Fig. 3K gezeigt ist, im wesentlichen gleich einer invertierten Version des Signals (9), das in Fig. 3I gezeigt ist, und dementsprechend kann auch das Signal vom Ausgang des Flipflops 125 als Torsignal direkt an das UND-Glied 107 angelegt werden. In einem solchen Fall bedarf es des UND- Glieds 123, des ODER-Glieds 118 und des Flipflops 126 nicht.
Da ferner die Ausgangsspannung V'n (23), die in Beziehung zu und unmittelbar nach dem ersten Eingangsimpuls (2) (Fig. 3B) erhalten wird, das heißt eine Ausgangsspannung, die früher liegt als V'&sub1; in Fig. 3W, einfach vernachlässigt werden kann, ist es auch möglich, eine Anordnung zu verwenden, bei der das Flipflop 128 und das UND-Glied 124 ebenfalls weggelassen sind und das Signal vom Ausgang Q des Flipflops 125 direkt an den Triggeranschluß T des monostabilen Multivibrators 131 angelegt wird.
Wie oben beschrieben, werden gemäß der Erfindung die Bruchteilszeiten zwischen den aufeinanderfolgenden Eingangsimpulsen (2) und den Taktimpulsen (3) mit Hilfe des Paares von Bruchteil-T-V-Umsetzern 103 und 104 untereinander abwechselnd gemessen, und die gemessenen Ausgangssignale werden an den Umschalter 105 angelegt, dessen Schaltvorgang es dem Subtrahierer 106 ermöglicht, von der in bezug auf jeden beliebigen Eingangsimpuls erhaltenen Bruchteilszeit die Bruchteilszeit in bezug auf den nächsten Eingangsimpuls abzuziehen.
Als Folge dessen können die Bruchteilszeiten zwischen den Eingangsimpulsen und den Taktimpulsen sukzessiv erhalten werden, und folglich erhält man die Spannungssignale V'&sub1;, V'&sub2;, V'&sub3;, ... V'n entsprechend den Zeitspannen P&sub1;, P&sub2;, P&sub3;, jeweils zweier aufeinanderfolgender Eingangsimpulse nacheinander am Ausgangsanschluß 133.
Wenn beispielsweise ein Oszilloskop mit dem Ausgangsanschluß 133 verbunden ist, kann an ihm eine Spannungswellenform entsprechend der Änderung der Geschwindigkeit eines rotierenden Elements angezeigt werden.
Wenn ein Spektralanalysator mit dem Ausgangsanschluß 133 verbunden ist, kann eine Frequenzanalyse einer Änderung der Geschwindigkeit des rotierenden Elements gemacht werden. Folglich kann eine Änderung in der Geschwindigkeit einer rotierenden Maschine wie eines Präzisionsmotor oder -kraftantriebs mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Es ist ersichtlich, daß viele Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Bereich des neuen Konzepts der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zur sukzessiven Zeitspannen-Spannungs- Umsetzung, umfassend:

eine Signaldetktoreinrichtung (102) zur Erfassung der Anstiegs- oder Abfallflanke jedes einer Reihe von Eingangsimpulsen und zur Lieferung eines ersten Rechteckwellenformsignals, dessen Polarität sich synchron mit jeder festgestellten Anstiegs- oder Abfallflanke umkehrt,

eine Taktgebereinrichtung (110) zur Erzeugung von Taktimpulsen einer festen Periode;

eine erste und eine zweite Bruchteilszeit-Spannungs- Umsetzeinrichtung (103, 104), die abwechselnd auf das erste Rechteckwellenformsignal reagieren und eine Integration einer Bezugsspannung beginnen und die Integration nach Eintreffen eines K-ten Taktimpulses nach Beginn der Integration stoppen, um dann Bruchteilszeiten, die durch die Zeitintervalle zwischen den erfaßten Flanken der Eingangsimpulse und dem Eintreffen des K-ten Taktimpulses in Spannungssignale Δv2m-1 und Δv2m für die Reihe von Eingangsimpulsen umzusetzen, wobei K und m natürliche Zahlen sind;

eine analoge Subtrahiereinrichtung (106), der Spannungssignale Δvn und Δvn+1 geliefert werden, und die ein Differenzsignal erzeugt durch Subtrahieren der Spannung Δvn+1, die der Bruchteilszeit eines späteren von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen der Reihe von Eingangsimpulsen entspricht, von dem Spannungssignal Δvn, die der Bruchteilszeit des früheren der beiden aufeinander folgenden Impulse entspricht;

eine Toreinrichtung (107) zum Extrahieren von Taktimpulsen, die in eine Zeitspanne fallen, die einer Zeitspanne entspricht, die von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen der Reihe von Eingangsimpulsen definiert wird;

eine Zähleinrichtung (108) zum Zählen der Taktimpulse, die von der Toreinrichtung (107) extrahiert werden, zur Erzeugung eines Taktzählsignals;

eine Addiereinrichtung (111) zum Addieren der Menge, die dem Differenzsignal entspricht, und der Menge, die den Taktzählsignal entspricht, und zur Ausgabe des Additionsresultats,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Signaldetektoreinrichtung (102) ein zweites Rechteckwellenformsignal erzeugt, das dem ersten Rechteckwellenformsignal in der Polarität entgegengesetzt ist, wobei das erste und das zweite Rechteckwellenformsignal an die erste bzw. die zweite Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzeinrichtung (103, 104) geliefert werden;

daß eine Umschalteinrichtung (105) vorgesehen ist, durch die ein früheres und ein späteres von zwei aufeinanderfolgenden Spannungssignalen, die abwechselnd von der ersten und der zweiten Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzeinrichtung ausgegeben werden, als die Spannungssignale Δvn und Δvn+1 über einen ersten bzw. einen zweiten Signalweg (113, 114) an die analoge Subtrahiereinrichtung (106) geliefert werden;

daß die Zähleinrichtung (108, 120) vor jedem Start des Zählvorgangs auf einen ganzzahligen Wert M größer als 1 voreingestellt wird;

daß eine D-A-Umsetzeinrichtung (109) zur Umsetzung des Zählwerts der Zähleinrichtung (108) in eine analoge Spannung vorgesehen ist, wobei die analoge Spannung an die Addiereinrichtung (111) geliefert wird und zum Differenzspannungssignal addiert wird, um ein zeitspannen-spannungs-umgesetztes Ausgangssignal zu erhalten; und

daß eine Steuereinrichtung (116, 117, 124, 125, 126, 127, 129, 131, 132, 119) vorgesehen ist, durch die nach Stoppen der Integration durch eine der beiden Bruchteilszeit- Spannungs-Umsetzeinrichtungen (103, 104) die andere der beiden zurückgesetzt wird und die Umschalteinrichtung (105) veranlaßt wird, den Schaltvorgang auszuführen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzeinrichtung (103, 104) je eine Integrationseinrichtung (306), die aufgrund des Detektorausgangssignals der Signaldetektoreinrichtung die Integration der Bezugsspannung beginnt, und eine Integrationsdauerbestimmungseinrichtung (308) enthält, die aufgrund des Detektorausgangssignals der Signaldetektoreinrichtung (102) die Taktimpulse zu zählen beginnt und, wenn sie K Taktimpulse gezählt hat, den Integrationsvorgang der Integrationseinrichtung (306) stoppt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steuereinrichtung eine Einrichtung (131, 132) zur Bestimmung einer Haltezeitspanne enthält, während derer das Spannungssignal zu halten ist, das das Resultat der Integration einer der beiden Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzeinrichtungen (103, 104) ist, und zwar wenigstens bis nachdem der Integrationsvorgang der anderen (104, 103) der beiden gestoppt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Haltezeitspannenbestimmungseinrichtung eine erste Impulsgeneratoreinrichtung (131) enthält, die auf das Stoppen des Integrationsvorgangs der anderen (104, 103) der beiden Bruchteilszeit- Spannungs-Umsetzeinrichtungen reagiert, um einen ersten Impuls einer festen Breite τS zur erzeugen, sowie eine zweite Impulsgeneratoreinrichtung (132), die auf das Ende des ersten Impulses anspricht, um einen zweiten Impuls einer festen Breite τP zu erzeugen, wobei der zweite Impuls an die eine (103, 104) der beiden Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzeinrichtungen angelegt wird, um sie dadurch zurückzusetzen.

5.Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Summe der Breiten (τS, τP) des ersten und des zweiten Impulses kleiner gewählt ist als das M-fache der Periode der Taktimpulse, (wobei M eine natürliche Zahl ist).

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Addiereinrichtung (111) mit einer Abtast-Halte- Einrichtung (112) zum Halten von deren Ausgangssignal verbunden ist, wobei die Abtast-Halte-Einrichtung (112) die Ausgangsspannung der Addiereinrichtung (111) bei jedem Anlegen des ersten Impulses an die letztere (112) hält.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung eine 1/M (wobei M eine natürliche Zahl ist) Frequenzteilereinrichtung (129) enthält, die als Antwort auf das Stoppen des Integrationsvorgangs einer der beiden Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzeinrichtung (103, 104) die Taktimpulse auf das 1/M-te frequenzzuteilen beginnt, und eine Torsignalgeneratoreinrichtung (126) zur Erzeugung eines Torsignals enthält, dessen Dauer von dem ersten frequenzgeteilten Ausgangssignal der 1/M Frequenzteilereinrichtung (129) bis zum Stoppen des nächsten Integrationsvorgangs der anderen (104, 103) der beiden Bruchteilszeit-Spannungs- Umsetzeinrichtungen reicht, wobei das Torsignal an die Toreinrichtung (107) angelegt wird, um für die Dauer des Torsignals den Durchgang von Taktimpulsen durch die Toreinrichtung zu erlauben.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zähleinrichtung (108) einen voreinstellbaren Zähler enthält, in den jedesmal M voreingestellt wird, wenn die Zähleinrichtung den Zählvorgang beginnt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung eine Einrichtung (117, 125, 127) enthält, durch die die Umschalteinrichtung veranlaßt wird, den Umschaltvorgang bei jeder Lieferung des ersten frequenzgeteilten Ausgangssignals von der 1/M Frequenzteilereinrichtung (129) nach Stoppen des Integrationsvorgangs jeder der beiden Bruchteilszeit-Spannungs-Umsetzeinrichtung (103, 104) durchzuführen.