DE3924370A1

DE3924370A1 - Verfahren zum messen einer zeitspanne und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3924370A1
Application number: DE19893924370
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schulze
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AG Germany; ABB AB
Priority date: 1989-07-22
Filing date: 1989-07-22
Publication date: 1991-01-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchfüh rung dieses Verfahrens.

Um ein analoges Meßsignal mit ausreichender Genauigkeit reproduzieren zu können, z.B. als Meßkurve auf dem Bild schirm eines Oszilloskops, benötigt man eine dem Ab tasttheorem entsprechend hohe Abtastfrequenz. Bei einem periodischen Meßsignal, dessen Kurvenform sich über meh rere Perioden hinweg nicht ändert, kann mit dem "random sampling Verfahren" gearbeitet werden. Hierbei darf die Frequenz des Meßsignals sogar größer als die Abtastfre quenz werden, da über mehrere Perioden hinweg an unter schiedlichen Stellen des Meßsignals abgetastet wird und durch die Überlagerung der verschiedenen Abtastergebnis se ein genaues Bild von der Kurvenform entsteht.

Für die automatische Verarbeitung der einzelnen Abta stergebnisse beim "random sampling Betrieb" muß die Zeitspanne zwischen dem Triggersignal und dem Abtastsi gnal gemessen werden. Aus technischen Gründen mißt man die Zeit zwischen der positiven Flanke des Trigger signals und der übernächsten positiven Flanke des Ab tastsignals.

Für die Zeitmessung verwendet man eine Zeitmeßschaltung, die z.B. recht vorteilhaft als Dualslope-Integrator auf gebaut werden kann. Hierbei wird die Lade- bzw. Entlade zeit, die der zu messenden Zeitspanne eines Meßimpulses entspricht, mit Hilfe eines Zählers ermittelt. Die sich hierbei ergebende Zeitmeßkurve unterliegt jedoch ver schiedenen Einflüssen, so daß sich ihre Kurvensteigung von Fall zu Fall ändern kann, was zu Meßfehlern führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, die eine Vermeidung des Meßfehlers durch auto matischen Selbstabgleich des Oszilloskops erlauben.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestal tungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Für eine genaue Zeitmessung ist es erforderlich, daß die Kurvensteigung möglichst exakt in dem Bereich ermittelt wird, in den die zu messende Zeitspanne fallen kann. Da die zu messende Zeitspanne so gelegt ist, daß sie sich zwischen der positiven Flanke des Triggersignals und der übernächsten positiven Flanke des Abtastsignals er streckt, muß sie im zeitlichen Bereich zwischen einer und zwei Periodenlängen der Abtastfrequenz liegen. Die Erfindung sieht deshalb vor, daß ein Selbstabgleich der Meßschaltung sowohl mit einer als auch mit zwei Perioden der Abtastfrequenz erfolgt und mit der so abgeglichenen Schaltung die zu messende Zeitspanne ermittelt wird. Der genaue Wert der zu messenden Zeitspanne x ergibt sich aus der Beziehung

wobei a die Periodendauer einer Abtastperiode, x1 der gemessene Zählwert während der ersten Zeitspanne, x2 der gemessene Zählwert während der zweiten Zeitspanne und x3 der gemessene Zählwert während der dritten Zeitspanne sind.

In der vorstehenden Beziehung enthalten ist die Steil- heit der Zeitmeßkurve. Multipliziert man den Kehrwert der Steilheit mit der Differenz der Zählwerte x1-x2, so erhält man die Zeit, um die die genaue Zeit spanne x größer als die Dauer einer Abtastperiode a ist. Sofern also die Zeitmeßkurve im Bereich zwischen a und 2a linear verläuft, wird die zu messende Zeitspanne x, die in diesem Bereich liegen muß, durch die Zeitmeß schaltung nicht verfälscht.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge lingt mit einer relativ einfach aufgebauten Meßschal tung. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe eines Torgatters Torsignale zu bilden, deren Dauer der ersten, zweiten und dritten Zeitspanne entspricht. Das Torgatter muß dabei durch die jeweils richtige Flanke des Trigger signals oder des Abtastsignals geöffnet bzw. wieder ge schlossen werden. Die drei Torsignale können dann einer Zeitmeßschaltung zugeführt werden, die den drei Zeitspannen entsprechende Zählwerte ausgibt. Eine Re chenschaltung erlaubt es aus diesen drei Werten und der Periodendauer der Abtastfrequenz die genaue Zeitspanne des ersten Torsignals TS1 zu ermitteln.

Die Auswahl der richtigen positiven Flanken des Trigger- bzw. des Abtastsignals erfolgt mit Hilfe eines aus drei D-Flipflops aufgebauten Schieberegisters. Dem Eingang des Schieberegisters wird nach Bedarf entweder das Trig ger- oder das Abtastsignal zugeführt. Zur richtigen Aus wahl steht ein erster Multiplexer zur Verfügung, an des sen Eingang die beiden Signale angelegt sind.

Ein zweiter Multiplexer ermöglicht einen Wechsel zwi schen dem invertierenden Ausgang des zweiten und dritten Flipflops, dessen Signal auf den zweiten Eingang eines UND-Gatters geführt wird, dessen erster Eingang am nicht invertierenden Ausgang des ersten Flipflops liegt. Für die richtige zeitliche Zuordnung sorgt eine Steuerschal tung, die ein Freigabesignal für das erste Flipflop und damit für das Schieberegister, sowie ein Rücksetzsignal für alle Flipflops und Auswahlsignale für die beiden Multiplexer abgibt.

Da die Steuerschaltung vorzugsweise mit einem Mikropro zessor ausgestattet ist, sieht eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung vor, daß dieser Mikroprozes sor auch zur Berechnung der genauen Zeitspanne herange zogen wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden näher beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßschaltung zur Ermittlung der Zeitspan ne x,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm mit einem analogen Meßsignal, einem Trigger- und einem Abtastsignal,

Fig. 3 eine vereinfachte Meßschaltung nach Fig. 1 zur Messung des ersten Zählwertes x1,

Fig. 4 ein dem Signallauf der Fig. 3 entsprechendes Signaldiagramm,

Fig. 5 eine vereinfachte Meßschaltung nach Fig. 1 zur Messung des zweiten Zählwertes x2,

Fig. 6 ein dem Signallauf der Fig. 5 entsprechendes Signaldiagramm,

Fig. 7 eine vereinfachte Meßschaltung nach Fig. 1 zur Messung des dritten Zählwertes x3,

Fig. 8 ein dem Signallauf der Fig. 7 entsprechendes Signaldiagramm.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, besitzt die Meßschaltung ein aus drei D-Flipflops 1, 2, 3 bestehendes Schieberegister, dem über einen Multiplexer 7 wahlweise ein Triggersignal TR oder ein Abtastsignal AT eingangsseitig zugeführt wird. An den Steuereingängen S des zweiten und dritten D-Flipflops 2, 3 liegt demgegenüber grundsätzlich das Abtastsignal AT an. Die Freigabe des Schieberegisters erfolgt am Eingang D des ersten Flipflops 1, wobei die nachgeschalteten Eingänge D der beiden Flipflops 2, 3 mit dem nicht invertierenden Ausgang Q des vorangehenden Flipflops verbunden sind.

Ein als Torschaltung wirkendes UND-Gatter 5 liegt mit seinem ersten Eingang am nicht invertierenden Ausgang Q des ersten Flipflops 1 und mit seinem zweiten Eingang am Ausgang eines Multiplexers 8. Der Multiplexer sorgt da für, daß entweder das Signal des nicht invertierenden Ausgangs des zweiten oder des dritten Flipflops an den zweiten Eingang des UND-Gatters 5 gelangt. Vom Ausgang des UND-Gatters werden die verschiedenen Torsignale TS1, TS2, TS3 dem Eingang der Zeitmeßschaltung 6 zuge führt, die ihrerseits den Torsignalen entsprechende Zählwerte x1, x2 und x3 abgibt.

Eine mit einem Mikroprozessor ausgestattete Steuerschal tung 4 dient einerseits dazu mit Hilfe der von der Zeit meßschaltung 6 abgegebenen Zählwerte x1, x2, x3 die zu ermittelnde genaue Zeitspanne x zu berechnen und sorgt außerdem für eine zeitgerechte Steuerung. Hierzu erzeugt sie ein Freigabesignal FS für das erste Flipflop 1, ein Rücksetzsignal RS für alle drei Flipflops 1, 2, 3 des Schieberegisters, ein Auswahlsignal AW1 für den ersten Multiplexer 7 und ein Auswahlsignal AW2 für den zweiten Multiplexer 8.

Ein Zeitdiagramm des analogen Meßsignals MS, des Trig gersignal TR und des Abtastsignals AT sind in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt, daß das Triggersignal TR je weils bei der gleichen Amplitude des analogen Meßsignals erzeugt wird, während die positive Flanke des Abtastsig nals AT eine Abtastung an verschiedenen Stellen des Meß signals MS bewirkt. Gemessen werden soll die Zeitspanne x, die sich zwischen dem Zeitpunkt t₀, der positiven Flanke des Triggersignals TR und dem Zeitpunkt t₁, der übernächsten, positiven Flanke des Abtastsignals AT er streckt.

Damit der Mikroprozessor der Steuerschaltung 4 den ge nauen Wert der Zeitspanne x ermitteln kann, ist es er forderlich, die Zählwerte x1, x2 und x3 zu ermitteln. Die Fig. 3 und 4 stellen den Meßablauf dar, der sich bei der Messung des ersten Zählwertes x1 ergibt, die Fig. 5 und 6 zeigen den Meßablauf bei der Ermittlung des Zählwertes x2 und die Fig. 7 und 8 verdeutlichen die Messung des Zählwertes x3. Zur Erleichterung des Überblicks wurden in den Fig. 3, 5, 7 die beiden Multi plexer 7, 8 weggelassen, und nur die jeweils durch sie hergestellte Signalverbindung angegeben. Ebenso wegge lassen wurde die Steuerschaltung 4 mit den Auswahlsigna len AW1, AW2 sowie dem Rücksetzsignal RS.

Bei dem Meßablauf nach den Fig. 3 und 4 gibt die Steuerschaltung 4 das erste Auswahlsignal AW1 mit dem Zustand "L" (Low) an den ersten Multiplexer 7, so daß dieser das Triggersignal TR an den Eingang des aus den D-Flipflops 1, 2, 3 bestehenden Schieberegisters gibt. An den zweiten Multiplexer 8 gibt die Steuerschaltung 4 das zweite Auswahlsignal AW2 ebenfalls mit dem Zustand "L", so daß am zweiten Eingang des UND-Gatters 5 der inver tierende Ausgang /Q des dritten Flipflops 3 zu liegen kommt.

Bei diesem Schaltzustand der beiden Multiplexer 7, 8 wird das Schieberegister 1, 2, 3 zum Zeitpunkt t₀ rückgesetzt. Zum Zeitpunkt t₁ gibt die Steuerschaltung 4 das erste Flipflop 1 durch das Freigabesignal FS frei. Zum Zeitpunkt t₂ sorgt das Triggersignal TR mit seiner posi tiven Flanke für das Setzen des ersten Flipflops 1. An den ersten Eingang des als Signaltor dienenden UND-Gat ters 5 gelangt also ein "H" (High). Durch das Rücksetzen des Flipflops 1, 2, 3 befindet sich der invertierende Aus gang /Q des dritten Flipflops 3 zum Zeitpunkt t₂ noch im Zustand "H", so daß auch an den zweiten Eingang des UND-Gatters 5 ein "H" gelangt und dieses ebenfalls auf "H" geht. Der Zeitpunkt t₃ entspricht der übernächsten positiven Flanke des Abtastsignals AT nach dem Zeitpunkt t₂ (der positiven Flanke des Triggersignals TR). An den Eingang des dritten Flipflops 3 gelangt zu diesem Zeit punkt somit ein "H", so daß der invertierende Ausgang des dritten Flipflops 3 auf "L" geht und das UND-Gatter 5 ihm folgt.

Bei dem Meßablauf nach den Fig. 5 und 6 gibt die Steuerschaltung 4 das erste Auswahlsignal AW1 mit dem Zustand "H" an den ersten Multiplexer 7, so daß dieser das Abtastsignal AT an den Eingang des aus den D-Flip flops 1, 2, 3 bestehenden Schieberegisters gibt. An den zweiten Multiplexer 8 gibt die Steuerschaltung 4 das zweite Auswahlsignal AW2 ebenfalls mit dem Zustand "H", so daß am zweiten Eingang des UND-Gatters 5 der inver tierende Ausgang /Q des dritten Flipflops 3 zu liegen kommt.

Bei diesem Schaltzustand der beiden Multiplexer 7, 8 wird das Schieberegister 1, 2, 3 zum Zeitpunkt t₀ rückgesetzt. Zum Zeitpunkt t₁ gibt die Steuerschaltung 4 das erste Flipflop 1 durch das Freigabesignal FS frei. Zum Zeit punkt t₂ sorgt das Abtastsignal AT mit seiner positiven Flanke für das Setzen des ersten Flipflops 1. An den ersten Eingang des als Signaltor dienenden UND-Gatters 5 gelangt also ein "H". Durch das Rücksetzen der Flipflops 1, 2, 3 befindet sich der invertierende Ausgang /Q des zweiten Flipflops 2 zum Zeitpunkt t₂ noch im Zustand "H", so daß auch an den zweiten Eingang des UND-Gatters 5 ein "H" gelangt und dieses ebenfalls auf "H" geht. Der Zeitpunkt t₃ entspricht der nächsten positiven Flanke des Abtastsignals AT nach dem Zeitpunkt t₂ (der positi ven Flanke des Abtastsignals AT). An den Eingang des dritten Flipflops 3 gelangt zu diesem Zeitpunkt somit ein "H" so daß der invertierende Ausgang des zweiten Flipflops 2 auf "L" geht und das UND-Gatter 5 ihm folgt.

Bei dem Meßablauf nach den Fig. 7 und 8 gibt die Steuerschaltung 4 das erste Auswahlsignal AW1 mit dem Zustand "L" an den ersten Multiplexer 7, so daß dieser das Abtastsignal AT an den Eingang des aus den Flipflops 1, 2, 3 bestehenden Schieberegisters gibt. An den zweiten Multiplexer 8 gibt die Steuerschaltung 4 das zweite Aus wahlsignal AW2 mit dem Zustand "L" so daß am zweiten Eingang des UND-Gatters 5 der invertierende Ausgang /Q des dritten Flipflops 3 zu liegen kommt.

Bei diesem Schaltzustand der beiden Multiplexer 7, 8 wird das Schieberegister 1, 2, 3 zum Zeitpunkt t₀ rückgesetzt. Zum Zeitpunkt t₁ gibt die Steuerschaltung 4 das erste Flipflop 1 durch das Freigabesignal FS frei. Zum Zeit punkt t₂ sorgt das Abtastsignal AT mit seiner positiven Flanke für das Setzen des ersten Flipflops 1. An den ersten Eingang des als Signaltor dienenden UND-Gatters 5 gelangt also ein "H". Durch das Rücksetzen des Flipflops 1, 2, 3 befindet sich der invertierende Ausgang /Q des dritten Flipflops 3 zum Zeitpunkt t₂ noch im Zustand "H" so daß auch an den zweiten Eingang des UND-Gatters 5 ein "H" gelangt und dieses ebenfalls auf "H" geht. Der Zeitpunkt t₃ entspricht der übernächsten positiven Flan ke des Abtastsignals AT nach dem Zeitpunkt t₂ (der posi tiven Flanke des Abtastsignals AT). An den Eingang des dritten Flipflops 3 gelangt zu diesem Zeitpunkt somit ein "H", so daß der invertierende Ausgang des dritten Flipflops auf "L" geht und das UND-Gatter ihm folgt.

Bei den drei vorbeschriebenen Meßabläufen erzeugt das UND-Gatter 5 ein erstes Torsignal TS1 ein zweites Tor signal TS2 und ein drittes Torsignal TS3. Die Torsignale gelangen zu der Zählschaltung 6, die bei allen drei Signalen ermittelt, wie lange der Zustand "H" andauert. Bei dem ersten Torsignal TS1 ergibt sich hierbei ein Zählwert x1, bei dem zweiten Torsignal TS2 ein Zählwert x2 und bei dem dritten Torsignal TS3 ein Zählwert x3. Aus diesen drei Zählwerten x1, x2, x3 kann der genaue Wert x der Zeitspanne zwischen der positiven Flanke des Triggersignals TR und der nächsten positiven Flanke des Abtastsignals AT nach der Beziehung

mit Hilfe der Dauer a einer Abtastperiode berechnet wer den. Die Berechnung erfolgt durch einen zur Steuerschal tung 4 gehörigen Mikroprozessors. Nimmt man an, die Dau er einer Abtastperiode a sei mit 50 ns fest vorgegeben, der Zählwert x1 betrage 200, der Zählwert x2=150 und der Zählwert x3=250, so ergibt sich für die Zeitspanne x eine Dauer von 75 ns. Diese Zeit fällt somit in den Be reich von a=50 ns bis 2a=100 ns. Vorausgesetzt, daß die Zählschaltung 6 in diesem Bereich linear arbeitet, er hält man somit ein exaktes Meßergebnis.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Zeitspanne x, eines beim "random sampling Betrieb" eines Oszilloskops zwi schen einer Flanke eines Triggersignals (TR) und einer Flanke eines Abtastsignals (AT) erzeugten Torsignals (TS1), mit Hilfe einer Zeitmeßschaltung (6), deren Zeit meßkurve (Zählwert pro Zeiteinheit) eine nicht genau bekannte Kurvensteigung besitzt, wodurch Meßfehler ent stehen können, vorzugsweise mit einer Zeitmeßschaltung, die nach dem Prinzip der Dualslope-Integration arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitmeßschaltung (6) außer dem ersten Torsignal (TS1) mindestens zwei weitere Torsignale (TS2,TS3) zugeführt werden, wobei das zweite Torsignal (TS2) eine Zeitspanne besitzt, die gleich ei ner Abtastperiode (a) des Abtastsignals (AT) ist und das dritte Torsignal (TS3) eine Zeitspanne besitzt, die gleich einem vielfachen, vorzugsweise dem doppelten Wert einer Abtastperiode (a) des Abtastsignals (AT) ist, und das erste Torsignal (TS1) eine Zeitspanne besitzt, die zwischen dem zweiten und dem dritten Torsignal (TS2, TS3) liegt, und daß der genaue Wert der ersten Zeitspanne aus einem dieser Zeitspanne zugeordneten ersten Zählwert (x1), aus einem der zweiten Zeitspanne zugeordneten zweiten Zählwert (x2) und einem der dritten Zeitspanne zugeordneten dritten Zählwert (x3) nach der Beziehung berechnet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Setzein gang (S) eines ersten aus drei Flipflops (1, 2, 3) gebil deten Schieberegisters, nach Vorgabe einer, vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors aufgebauten Steuerschal tung (4), wahlweise das Triggersignal (TR) oder das Ab tastsignal (AT) gelegt ist, während die Setzeingänge (S) des zweiten und dritten Flipflops (2, 3) fest mit dem Abtastsignal (AT) beaufschlagt sind und ein Torgatter (5) mit einem ersten Eingang (T1) am nicht invertieren den Ausgang (Q) des ersten Flipflops (1) und mit einem zweiten Eingang (T2) nach Vorgabe der Steuerschaltung (4) mit dem invertierenden Ausgang (/Q) abwechselnd ent weder des zweiten Flipflops (2) oder des dritten Flip flops (3) verbunden ist, und das Torgatter (5) nach Vor gabe der Steuerschaltung (4) abwechselnd das erste Tor signal (TS1), das zweite Torsignal (TS2) oder das dritte Torsignal (TS3) abgibt und eine Zeitmeßschaltung (6) entsprechend dem zugeführten Torsignal (TS1, TS2, TS3) dessen jeweilige Zeitspanne (x1, x2, x3) mißt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Auswahl zwischen dem wahlweise an den Setzeingang (S) des ersten Flipflops (1) zu legenden Triggersignal (TR) und dem Abtastsignal (AT) mit Hilfe eines ersten Multiplexers (7) erfolgt, und zeitlich durch ein von der Steuerschaltung (4) abgegebenes erstes Auswahlsignal (AW1) definiert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Auswahl zwischen dem an den zweiten Eingang (T2) des Torgatters (8) wahlweise anzulegenden invertierenden Ausgang (/Q) des zweiten oder dritten Flipflops (2, 3) mit Hilfe eines zweiten Multiplexers (8) erfolgt, und zeitlich durch ein von der Steuerschaltung (4) abgegebenes zweites Auswahlsignal (AW2) definiert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Torgatter (5) ein UND- Gatter dient, daß das Schieberegister (1, 2, 3,) durch ein von der Steuerschaltung (4) kommendes Freigabesignal (FS) gestartet wird und durch ein Reset-Signal (RS) zu rücksetzbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der genauen ersten Zeitspanne (x) aus dem gemessenen ersten Zählwert (x1), dem zweiten Zählwert (x2) und dem dritten Zählwert (x3) mit Hilfe einer Rechenschaltung, vorzugsweise einem zur Steuerschaltung (4) gehörigen Mikroprozessor, er folgt.