DE4024438A1 - Real-time digital frequency meter with spatial sampling - Google Patents
Real-time digital frequency meter with spatial samplingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Frequenzmesser, bei welchem eine räumliche Frequenzmessung an der Hüllkurve einer ste henden Welle vorgenommen wird, die durch das Signal, dessen Frequenz gemessen werden soll, in einer kurzgeschlossenen Übertragungsleitung erzeugt wird.The invention relates to a frequency meter in which a spatial frequency measurement on the envelope of a ste The wave is made by the signal whose Frequency to be measured in a shorted Transmission line is generated.
Bei einem derartigen Frequenzmesser erfolgt die Frequenzmes sung durch Spektralanalyse, wobei das signifikante Maximum des Betrags der Fouriertransformierten der Hüllkurve der stehenden Welle aufgesucht wird, die durch eine Anzahl von Dioden detektiert wird, welche entlang der Übertragungslei tung verteilt sind. Da man in der Praxis nur über eine dis krete Fouriertransformierte mit einer begrenzten Anzahl von Punkten verfügt, erfolgt diese Messung durch Bestimmung des jenigen Punktes der diskreten Fouriertransformierten, welcher im Betrag dem Maximum entspricht, woraufhin eine Interpola tion um diesen Punkt herum vorgenommen wird.The frequency measurement takes place in such a frequency meter solution by spectral analysis, the significant maximum the amount of the Fourier transform of the envelope of the standing wave, which is identified by a number of Diodes is detected, which along the transmission line tion are distributed. Since in practice only one dis krete Fourier transforms with a limited number of Points, this measurement is made by determining the that point of the discrete Fourier transform which the amount corresponds to the maximum, whereupon an interpola tion around this point.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik kann die Interpola tion, wenn sie präzise sein soll, nur digital erfolgen, so daß die Punkte der diskreten Fouriertransformierten digita lisiert werden müssen oder gegebenenfalls auch die entlang der Übertragungsleitung erfaßten Spannungen, wobei die Spek tralanalyse dann gleichfalls digital erfolgt.According to the current state of the art, the Interpola tion, if it should be precise, only be done digitally that the points of the discrete Fourier-transformed digita must be lized or, if necessary, also along the transmission line detected voltages, the spec tral analysis is then also done digitally.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Digitalisie rung zu vermeiden, um zu einem einfachen Frequenzmesser zu gelangen, der sich durch geringen Materialaufwand auszeich net.The object of the invention is this digitization to avoid becoming a simple frequency meter get, which is characterized by low material costs net.
Gegenstand der Erfindung ist ein digitaler Echtzeit-Frequenz messer, der mit räumlicher Abtastung arbeitet und versehen ist mit:The invention relates to a digital real-time frequency knife that works with spatial scanning and provides is with:
- - einer Übertragungsleitung, die ausgangsseitig kurzgeschlos sen ist und eingangsseitig ein Signal mit der unbekannten, zu messenden Frequenz empfängt, wobei dieses Signal in der Übertragungsleitung stehende Wellen erzeugt;- A transmission line that short-circuited on the output side is and a signal on the input side with the unknown, receives frequency to be measured, this signal in the Transmission line standing waves generated;
- - Detektoren, die entlang der Übertragungsleitung verteilt sind und die Amplitude der Hüllkurve der stehenden Welle abtasten, die im Inneren der Übertragungsleitung entsteht;- Detectors distributed along the transmission line and the amplitude of the standing wave envelope scan that arises inside the transmission line;
- - ersten Mitteln, um eine Diskriminierung der räumlichen Frequenz vorzunehmen, deren Anteil gleich m ist, worin m eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist, wobei diese Mittel an ihren Eingängen parallel an die Ausgänge der De tektoren angeschlossen sind und die eine periodische Fre quenzantwort aufweisen, mit abwechselnden Durchlaßbändern und Sperrbändern, die durch Übergänge getrennt sind, wel che gleichmäßig in dem gesamten Frequenzbereich des Fre quenzmessers verteilt sind, wobei sich ihre Anzahl verdop pelt, wenn man von einer räumlichen Frequenzdiskriminator einrichtung zu einer anderen übergeht, wobei ferner diese Anzahl von einem einzigen Übergang in der Nähe der Hälfte des gesamten Frequenzbereiches des Frequenzmessers für eine erste räumliche Frequenzdiskriminatoreinrichtung aus geht, um in einem anderen 2m-1 Übergänge zu erreichen;- First means for discriminating the spatial frequency, the proportion of which is equal to m, where m is an integer which is greater than 1, these means being connected at their inputs in parallel to the outputs of the detectors and being periodic Fre have frequency response, with alternating passbands and stop bands, which are separated by transitions, which are evenly distributed over the entire frequency range of the frequency meter, their number doubling when one passes from one spatial frequency discriminator to another, further this number assumes a single transition near half of the entire frequency range of the frequency meter for a first spatial frequency discriminator device in order to achieve transitions in another 2 m-1 ;
- - zweite Frequenzdiskriminatormittel, deren Anzahl gleich m ist und die an ihren Eingängen parallel mit den Ausgängen der Detektoren verbunden sind sowie über eine Frequenzant wort verfügen, die jeweils komplementär zu der der ersten räumlichen Frequenzdiskriminatormittel ist; und- Second frequency discriminator means, the number of which is equal to m is and that at their inputs parallel to the outputs of the detectors are connected and via a frequency word, each complementary to that of the first spatial frequency discriminator means; and
- - eine Menge von m Komparatoren, die jeweils das Ausgangssi gnal eines ersten räumlichen Frequenzdiskriminatormittels mit dem des zweiten räumlichen Frequenzdiskriminatormit tels vergleichen, dessen Frequenzantwort jeweils komple mentär zur eigenen Frequenzantwort ist, und gemeinsam ein Wort aus m Bits abgeben, das charakteristisch für die zu messende Frequenz ist.- A set of m comparators, each of which is the output si gnal of a first spatial frequency discriminator means with that of the second spatial frequency discriminator compare the frequency response of which is complete is mental to your own frequency response, and together Give word out of m bits, which is characteristic of the to measuring frequency is.
Gemäß einer Ausführungsvariante werden die zweiten räum lichen Frequenzdiskriminatormittel, deren Frequenzantwort komplementär zu der der ersten räumlichen Frequenzdiskrimi natormittel sind, durch eine einzige zweite räumliche Fre quenzdiskriminatoreinrichtung ersetzt, deren Frequenzantwort vom Typ eines Bandpasses ist, mit einem Ausgangssignalpegel, der dem mittleren Signalpegel an den Ausgängen der ersten räumlichen Frequenzdiskriminatormittel entspricht, wobei die m Komparatoren jeweils das Ausgangssignal eines ersten raum lichen Frequenzdiskriminatormittels mit dem des zweiten räumlichen Frequenzdiskriminatormittels vergleichen.According to one embodiment variant, the second rooms Lichen frequency discriminator means, their frequency response complementary to that of the first spatial frequency thriller nator means are, by a single second spatial Fre quency discriminator device replaced, its frequency response is of the bandpass type, with an output signal level, which is the mean signal level at the outputs of the first corresponds to spatial frequency discriminator means, the m comparators each the output signal of a first room Lichen frequency discriminator means with that of the second compare spatial frequency discriminator means.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen: Further features and advantages of the invention result from the following description and from the drawing to which Reference is made. The drawing shows:
Fig. 1 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Frequenz messers; Figure 1 is a block diagram of a frequency meter according to the invention.
Fig. 2 ein Diagramm, welches jeweils die Frequenzantwort der räumlichen Frequenzdiskriminatormittel zeigt, die bei dem erfindungsgemäßen Frequenzmesser ver wendet werden; Fig. 2 is a diagram each showing the frequency response of the spatial frequency discriminator means used in the frequency meter according to the invention;
Fig. 3 ein Prinzipschema einer Ausführungsform des Fre quenzmessers; Fig. 3 is a schematic diagram of an embodiment of the frequency meter;
Fig. 4 ein Diagramm, dessen Kurven jeweils die Frequenz antwort darstellen, die am Ausgang der Differenz verstärker in dem Prinzipschema nach Fig. 3 er scheint; Fig. 4 is a diagram, the curves of which each represent the frequency response, which appears at the output of the differential amplifier in the schematic diagram of Fig. 3;
Fig. 5 eine praktische Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Frequenzmessers; Fig. 5 shows a practical embodiment of a frequency meter according to the Invention;
Fig. 6 eine weitere praktische Ausführungsform des Fre quenzmessers; und Fig. 6 shows another practical embodiment of the frequency meter; and
Fig. 7 eine Ausführungsvariante, die darin besteht, daß zwei der in den vorausgehenden Figuren gezeigten Frequenzmesser in Kaskade geschaltet werden. Fig. 7 shows an embodiment variant, which consists in that two of the frequency meters shown in the previous figures are connected in cascade.
In Fig. 1 ist eine Übertragungsleitung 1 zu erkennen, deren eines Ende 2 kurzgeschlossen ist und deren anderes Ende 3 ein Signal sin wt aufnimmt, dessen Frequenz gemessen werden soll. In dieser Übertragungsleitung entsteht eine stehende Welle, deren räumliche Frequenz Fs mit der Frequenz f des ankommenden Signals durch folgende Beziehung verknüpft ist.In Fig. 1 a transmission line 1 can be seen, one end 2 is short-circuited and the other end 3 a signal sin wt receiving whose frequency is to be measured. A standing wave is formed in this transmission line, the spatial frequency Fs of which is linked to the frequency f of the incoming signal by the following relationship.
f = c Fs/2 (1)f = c Fs / 2 (1)
Darin ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen in der Übertragungsleitung. N Quadratdetektoren, die jeweils durch eine Diode 11, 12, 13, 14, 15 bzw. 16 verdeutlicht sind, gefolgt von einem Tiefpaßfilter 21, 22, 23, 24, 25 bzw. 26, sind eingangsseitig an Abgriffe angeschlossen, die gleich mäßig entlang der Übertragungsleitung 1 verteilt sind. Der Teilungsschritt dieser Abgriffe entspricht, um dem Abtast theorem zu genügen, der Hälfte der minimalen räumlichen Pe riode der Hüllkurven von stehenden Wellen, die in der Über tragungsleitung 1 entstehen können, wenn ein zu messendes Signal die maximal für den Frequenzmesser zulässige Frequenz aufweist. Die Kenntnis des Abstandes des Kurzschlusses von dem nächsten Quadratdetektor ermöglicht die Ausnutzung des Spiegeleffektes, der durch den Kurzschluß erzeugt wird, um eine Übertragungsleitung von doppelter Länge zur räumlichen Abtastung zu simulieren, die an zwei Enden das Signal auf nimmt, dessen Frequenz gemessen werden soll.Where c is the speed of propagation of the waves in the transmission line. N square detectors, each of which is illustrated by a diode 11 , 12 , 13 , 14 , 15 and 16 , followed by a low-pass filter 21 , 22 , 23 , 24 , 25 and 26 , are connected on the input side to taps which are uniformly along the transmission line 1 are distributed. The dividing step of these taps corresponds, in order to satisfy the sampling theorem, to half the minimum spatial period of the envelopes of standing waves that can arise in the transmission line 1 when a signal to be measured has the maximum frequency permissible for the frequency meter. Knowing the distance of the short circuit from the nearest square detector allows the mirror effect generated by the short circuit to be exploited to simulate a double length transmission line for spatial sampling that picks up the signal at two ends whose frequency is to be measured.
Die N Ausgänge der Quadratdetektoren sind mit den N Leitern einer Busleitung 4 verbunden, welche an die Eingänge von zwei Bänken von m räumlichen Frequenzdiskriminatoren 31, 32, 33 sowie 41, 42, 43 verbunden sind. Die erste Bank von räum lichen Frequenzdiskriminatoren 31, 32, 33 besteht aus m räum lichen Frequenzdiskriminatoren, die eine periodische Fre quenzantwort haben, mit abwechselnden Durchlaß- und Sperr bändern, die durch Übergänge getrennt sind, welche gleich mäßig in dem gesamten Frequenzbereich des Frequenzmessers verteilt sind, wobei ihre Anzahl von einem räumlichen Fre quenzdiskriminator zum anderen verdoppelt wird, wenn man in einem räumlichen Frequenzdiskriminator 31 mit einem einzigen Übergang in der Nähe der Hälfte des gesamten Frequenzberei ches des Frequenzmessers ausgeht, um letztlich bei einem anderen räumlichen Frequenzdiskriminator 33 eine Anzahl 2m-1 Übergänge zu erreichen, wobei in den Zwischenstufen 21, 22 . . . 2m-2 Übergänge vorhanden sind. Die zweite Bank von m räumlichen Frequenzdiskriminatoren 41, 42, 43 besteht aus räumlichen Frequenzdiskriminatoren, deren Frequenzantwort jeweils komplementär zu der der räumlichen Frequenzdiskrimi natoren 31, 32, 33 der ersten Bank ist. Die Ausgänge jedes Paares von räumlichen Frequenzdiskriminatoren 31, 41 bzw. 32, 42 sowie 33, 43 der beiden Bänke, deren Frequenzantwort jeweils komplementär ist, sind mit den Eingängen eines Kom parators 51 bzw. 52 bzw. 53 verbunden, der ausgangsseitig ein binäres Signal erzeugt, welches den einen oder anderen Zustand aufweist, je nachdem, ob die zu messende Frequenz innerhalb des Durchlaßbandes oder des Sperrbandes des räum lichen Frequenzdiskriminators liegt, der in dem betrachteten paar zur ersten Bank gehört. Die Ausgänge der Komparatoren 51, 52, 53 geben ein Binärwort aus m Bits ab, das kennzeich nend für die relative Lage der zu messenden Frequenz im In neren des gesamten Frequenzbandes des Frequenzmessers ist und an einen Codierer 60 angelegt wird, welcher eine Umco dierung dieses Wortes aus m Bits in einen natürlichen Binär code vornimmt.The N outputs of the square detectors are connected to the N conductors of a bus line 4 , which are connected to the inputs of two banks of m spatial frequency discriminators 31 , 32 , 33 and 41 , 42 , 43 . The first bank of spatial frequency discriminators 31 , 32 , 33 consists of m spatial frequency discriminators that have a periodic frequency response, with alternating pass and stop bands that are separated by transitions that are evenly distributed over the entire frequency range of the frequency meter are, their number is doubled from one spatial frequency discriminator to another, if one assumes in a spatial frequency discriminator 31 with a single transition near half of the entire frequency range of the frequency meter, and ultimately a number 2 in another spatial frequency discriminator 33 to achieve m-1 transitions, in the intermediate stages 2 1 , 2 2 . . . 2 m-2 transitions exist. The second bank of m spatial frequency discriminators 41 , 42 , 43 consists of spatial frequency discriminators, the frequency response of which is complementary to that of the spatial frequency discriminators 31 , 32 , 33 of the first bank. The outputs of each pair of spatial frequency discriminators 31 , 41 or 32 , 42 and 33 , 43 of the two banks, whose frequency response is complementary, are connected to the inputs of a comparator 51, 52 and 53 , respectively, which have a binary signal on the output side generated which has one or the other state, depending on whether the frequency to be measured is within the pass band or the stop band of the spatial frequency discriminator belonging to the first bank in the pair considered. The outputs of the comparators 51 , 52 , 53 emit a binary word of m bits, which is characteristic of the relative position of the frequency to be measured in the interior of the entire frequency band of the frequency meter and is applied to an encoder 60 , which has a recoding of this Word from m bits into a natural binary code.
Die in Fig. 2 gezeigten Diagramme stellen jeweils die Fre quenzantwort der ersten und der zweiten Bank von räumlichen Frequenzdiskriminatoren dar, als Funktion der zeitlichen Frequenz des an die Übertragungsleitung 1 angelegten Signals, welche sich aus der räumlichen Frequenz der stehenden Welle in der Übertragungsleitung 1 über die lineare Beziehung (1) ableitet.The diagrams shown in FIG. 2 each represent the frequency response of the first and the second bank of spatial frequency discriminators, as a function of the temporal frequency of the signal applied to the transmission line 1 , which is derived from the spatial frequency of the standing wave in the transmission line 1 derives the linear relationship (1).
Die Kurve V1 entspricht der Frequenzanwort des räumlichen Frequenzdiskriminators 31 der ersten Bank. Sie zeigt einen einzigen Übergang in der Nähe der Mitte des gesamten Fre quenzbereiches des Frequenzmessers zwischen einem Sperrband, das den niedrigen Frequenzbereich einnimmt, und einem Durch laßband, das den oberen Frequenzbereich einnimmt.The curve V 1 corresponds to the frequency response of the spatial frequency discriminator 31 of the first bank. It shows a single transition near the center of the entire frequency range of the frequency meter between a stop band, which occupies the low frequency range, and a pass band, which occupies the upper frequency range.
Die Kurve V′1 entspricht der Frequenzantwort des räumlichen Frequenzdiskriminators 41 der zweiten Bank. Ihre Form ist komplementär zur Kurve V1. Sie zeigt einen einzigen Übergang in der Nähe der Mitte des gesamten Frequenzbereiches des Frequenzmessers zwischen einem Durchlaßband, das den niedri gen Frequenzbereich einnimmt, und einem Sperrband, das den oberen Frequenzbereich einnimmt. The curve V ' 1 corresponds to the frequency response of the spatial frequency discriminator 41 of the second bank. Their shape is complementary to curve V 1 . It shows a single transition near the center of the entire frequency range of the frequency meter between a pass band that occupies the low frequency range and a stop band that occupies the upper frequency range.
Die Kombination dieser beiden Frequenzantworten V1 und V′1 am additiven und am subtraktiven Eingang des Komparators 51 ermöglicht es, am Ausgang desselben ein Binärsignal im Zu stand 0 abzunehmen, wenn die Frequenz des zu messenden Si gnals innerhalb des Sperrbandes des räumlichen Frequenzdis kriminators 31 der ersten Bank und innerhalb des unteren Frequenzbereiches des Frequenzmessers liegt, oder ein Signal im Zustand 1, wenn die Frequenz des zu messenden Signals im Durchlaßband des räumlichen Frequenzdiskriminators 31 der ersten Bank und im oberen Frequenzbereich des Frequenzmes sers liegt.The combination of these two frequency responses V 1 and V ' 1 at the additive and at the subtractive input of the comparator 51 makes it possible to take a binary signal in the state 0 at the output of the same if the frequency of the signal to be measured is within the stop band of the spatial frequency discriminator 31 of the first bank and within the lower frequency range of the frequency meter, or a signal in state 1 if the frequency of the signal to be measured lies in the pass band of the spatial frequency discriminator 31 of the first bank and in the upper frequency range of the frequency meter.
Die Kurve V2 entspricht der Frequenzantwort des räumlichen Frequenzdiskriminators 32 der ersten Bank. Sie weist zwei Übergänge, die in der Nähe der Mittelwerte des niedrigen und des hohen Frequenzbereiches des Frequenzmessers liegen und ein zentrales Durchlaßband begrenzen, das zwischen zwei Sperrbändern liegt, wobei die Breite des Durchlaßbandes der der beiden gesperrten Bereiche entspricht.The curve V 2 corresponds to the frequency response of the spatial frequency discriminator 32 of the first bank. It has two transitions, which are close to the mean values of the low and high frequency range of the frequency meter and limit a central pass band which lies between two stop bands, the width of the pass band corresponding to that of the two blocked regions.
Die Kurve V′2 entspricht der Frequenzantwort des räumlichen Frequenzdiskriminators 42 der zweiten Bank. Ihre Form ist komplementär zu der der Kurve V2.The curve V ' 2 corresponds to the frequency response of the spatial frequency discriminator 42 of the second bank. Their shape is complementary to that of curve V 2 .
Die Kombination dieser beiden Frequenzantworten V2, V′2 am additiven und am subtraktiven Eingang des Komparators 52 ermöglicht es, am Ausgang desselben ein Binärsignal im Zu stand 0 abzunehmen, wenn die Frequenz des zu messenden Si gnals im Sperrband des räumlichen Frequenzdiskriminators 32 und in der ersten Hälfte des niedrigen Frequenzbereiches oder in der zweiten Hälfte des oberen Frequenzbereiches des Frequenzmessers liegt, bzw. ein Signal im Zustand 1, wenn die Freuqenz des zu messenden Signals im Durchlaßband des räumlichen Frequenzdiskriminators 32 sowie in der zweiten Hälfte des niedrigen Frequenzbereiches oder in der ersten Hälfte des oberen Frequenzbereiches des Frequenzmessers liegt. The combination of these two frequency responses V 2 , V ' 2 at the additive and at the subtractive input of the comparator 52 makes it possible to take a binary signal at the output of the same at 0 when the frequency of the signal to be measured is in the stop band of the spatial frequency discriminator 32 and in the first half of the low frequency range or in the second half of the upper frequency range of the frequency meter, or a signal in state 1 if the frequency of the signal to be measured is in the pass band of the spatial frequency discriminator 32 and in the second half of the low frequency range or first half of the upper frequency range of the frequency meter.
Der Zustand des Binärsignals am Ausgang des Komparators 52 ermöglicht die Bestimmung der zu messenden Signalfrequenz in bezug auf eine alternierende Reihe von 1+21 Bereichen, wo durch der Gesamtfrequenzbereich des Frequenzmessers unter teilt ist. In Kombination mit dem Zustand des Binärsignals am Ausgang des Komparators 51 ermöglicht er die Bestimmung der zu messenden Signalfrequenz in bezug auf eine Folge von 22 Bereichen gleicher Breite, die den Gesamtfrequenzbereich des Frequenzmessers einnehmen.The state of the binary signal at the output of the comparator 52 makes it possible to determine the signal frequency to be measured in relation to an alternating series of 1 + 2 1 ranges, where the total frequency range of the frequency meter is divided. In combination with the state of the binary signal at the output of the comparator 51, it enables the signal frequency to be measured to be determined in relation to a sequence of 2 2 regions of the same width, which occupy the total frequency range of the frequency meter.
Die Kurve Vm entspricht der Frequenzantwort des letzten räum lichen Frequenzdiskriminators 33 der ersten Bank. Sie weist 2m-1 Übergänge zwischen Durchlaßbereichen und Sperrbereichen auf, welche gleichmäßig innerhalb des Gesamtfrequenzberei ches des Frequenzmessers verteilt liegen.The curve V m corresponds to the frequency response of the last spatial frequency discriminator 33 of the first bank. It has 2 m-1 transitions between passband and stopband, which are evenly distributed within the total frequency range of the frequency meter.
Die Kurve V′m entspricht der Frequenzantwort des letzten räumlichen Frequenzdiskriminators 43 der zweiten Bank. Ihre Form ist komplementär zu der der Kurve Vm.The curve V ' m corresponds to the frequency response of the last spatial frequency discriminator 43 of the second bank. Their shape is complementary to that of the curve V m .
Die Kombination dieser beiden Frequenzantworten am additiven und am subtraktiven Eingang des Komparators 53 ermöglicht es, am Ausgang desselben ein Binärsignal im Zustand 0 abzu nehmen, wenn die Frequenz des zu messenden Signals in einem Sperrband des räumlichen Frequenzdiskriminators 33 liegt, oder ein Signal im Zustand 1, wenn die Frequenz des zu mes senden Signals in einem Durchlaßband des räumlichen Fre quenzdiskriminators 33 liegt, um so die zu messende Signal frequenz in bezug auf eine alternierende Reihe von 1+2m-1 Bereichen zu bestimmen, wodurch der Gesamtfrequenzbereich des Frequenzmessers unterteilt ist.The combination of these two frequency responses at the additive and at the subtractive input of the comparator 53 makes it possible to take a binary signal in state 0 at the output thereof if the frequency of the signal to be measured is in a stop band of the spatial frequency discriminator 33 , or a signal in state 1 when the frequency of the signal to be measured is in a pass band of the spatial frequency discriminator 33 so as to determine the signal frequency to be measured with respect to an alternating series of 1 + 2 m-1 ranges, thereby dividing the overall frequency range of the frequency meter .
Aufgrund dieses Binärsignals, das durch die Gesamtheit der Ausgangssignale der anderen Komparatoren 51, 52 vervollstän digt wird, kann die zu messende Signalfrequenz bestimmt wer den, indem ihre Lage in bezug auf eine Aufeinanderfolge von 2m Bereichen gleicher Breite bestimmt wird, die den gesamten Frequenzbereich des Frequenzmessers einnehmen und eine Art Abstufung bilden, die um so feiner ist, je größer die Zahl m ist.Because of this binary signal, which is completed by the total of the output signals of the other comparators 51 , 52 , the signal frequency to be measured can be determined by determining its position with respect to a succession of 2 m areas of the same width, which covers the entire frequency range of the frequency meter and form a kind of gradation, the finer the larger the number m, the finer.
Die Synthese der räumlichen Frequenzdiskriminatoren erfolgt dadurch, daß in geeigneter Weise die Frequenzantworten der schmalbandigen Frequenzdiskriminatoren kombiniert werden, die in dem Gesamtfrequenzbereich des Frequenzmessers ver teilt liegen und die Punkte der diskreten Fouriertranforma tion bilden, welche aus den Spannungen berechnet wird, die von den N Quadratdetektoren abgegeben werden.The spatial frequency discriminators are synthesized in that the frequency responses of the narrowband frequency discriminators can be combined, ver in the total frequency range of the frequency meter divides lie and the points of the discrete Fourier transform tion, which is calculated from the tensions that are emitted by the N square detectors.
Diese Punkte der diskreten Fouriertransformation bilden näm lich ein reelles Spektrum, da die Übertragungsleitung kurz geschlossen ist und die detektierten Spannungen symmetrisch in bezug auf den Kurzschluß sind. Sie haben folgende Werte:These points of the discrete Fourier transform form nam Lich a real spectrum because the transmission line is short is closed and the detected voltages symmetrical regarding the short circuit. They have the following values:
Darin ist p(n) die normierte Position des n-ten Detektors (im allgemeinen 1, 2, 3 . . . oder 0, 5-1, 5-2, 5 . . . ), wobei die Detektoren in wachsender Reihenfolge numeriert sind, ausgehend von dem, der an das freie Ende 3 der Übertragungs leitung angeschlossen ist, um zu dem überzugehen, welcher in der Nähe des kurzgeschlossenen Endes 2 der Übertragungslei tung angeschlossen ist, während k die Ordnung der Abtastpro be der diskreten Fouriertransformierten ist, die in anwach sender Reihe numeriert wird, indem man von den niedrigen Frequenzen zu den hohen Frequenzen übergeht; Vn ist die durch den n-ten Detektor detektierte Spannung.Here p (n) is the normalized position of the nth detector (generally 1, 2, 3... Or 0, 5-1, 5-2, 5...), The detectors being numbered in increasing order , starting from that which is connected to the free end 3 of the transmission line to transition to that which is connected in the vicinity of the short-circuited end 2 of the transmission line, while k is the order of the sample of the discrete Fourier transform, which in increasing number of transmitters is numbered by moving from the low frequencies to the high frequencies; V n is the voltage detected by the nth detector.
Zur Verwirklichung eines Filters, dessen Frequenzantwort eine bestimmte Form hat, müssen nur die Punkte der diskreten Fouriertransformierten an den Abszissenwerten k dieser mit der betrachteten Frequenzantwort X(F) gewichtet werden:To realize a filter whose frequency response has a certain shape, only the points of the discrete Fourier transforms on the abscissa values k of these weighted with the frequency response X (F) considered:
Wenn F(k) durch seinen Wert ausgedrückt wird, erhält man:If F (k) is expressed by its value, we get:
was auch geschrieben werden kann, indem die Aufsummierungen permutiert werden: which can also be written by permuting the summations:
Der letztere Ausdruck zeigt, daß die gesuchte Frequenzant wort X(f) durch eine Linearkombination der detektierten Spannungswerte Vn erhalten werden kann, wenn sie mit den reellen Koeffizienten Cn von folgendem Wert gewichtet werden:The latter expression shows that the searched frequency response X (f) can be obtained by a linear combination of the detected voltage values V n if they are weighted with the real coefficients C n of the following value:
Bei der vorausgehenden Betrachtung wurden die Auswirkungen der Abtastung nicht berücksichtigt, die aber groß sind, denn die Anzahl N von Detektoren ist im allgemeinen klein, so daß in der Praxis die Wichtungskoeffizienten in Abhängigkeit von der angestrebten Leistungsfähigkeit optimiert werden müssen.The previous considerations included the effects the scanning is not taken into account, but they are large because the number N of detectors is generally small, so that in practice the weighting coefficients depending on the desired performance must be optimized.
Die Fig. 3 zeigt ein Prinzipschema des digitalen Frequenz messers, worin jedes Paar von räumlichen Frequenzdiskrimina toren, die an den Eingang eines Komparators 51′, 52′, 53′ angeschlossen sind, durch einen einzigen Differenzverstärker 71, 72 oder 73 gebildet ist, der an seinen Eingängen die Spannungen Vn empfängt, welche die Detektoren abgeben, je weils über einen Widerstand, dessen Funktion der Wichtung entspricht. Jeder Widerstand weist einen Wichtungskoeffi zienten C′′n auf, der positiv ist, wenn er an den nichtinver tierenden Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen ist, oder negativ, wenn er an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen ist, entsprechend der Summe von Wichtungskoeffizienten Cn, C′n gleicher Ordnung der Diskriminatoren des betrachteten Paares. Fig. 3 shows a schematic diagram of the digital frequency meter, wherein each pair of spatial frequency discriminators, which are connected to the input of a comparator 51 ', 52 ', 53 ', is formed by a single differential amplifier 71 , 72 or 73 , the receives the voltages V n at its inputs, which the detectors emit, each because of a resistor whose function corresponds to the weighting. Each resistor has a weighting coefficient C ′ ′ n , which is positive if it is connected to the non-inverting input of the differential amplifier, or negative if it is connected to the inverting input of the differential amplifier, corresponding to the sum of weighting coefficients C n , C ′ n equal order of the discriminators of the couple considered.
Die Fig. 4 zeigt die Ausgangsspannungen V71 bis V73 der Dif ferenzverstärker 71 bis 73 in Fig. 3, die unmittelbar die Differenz der Ausgangssignale der komplementären räumlichen Frequenzdiskriminatoren der in Fig. 2 gezeigten Art bilden. Fig. 4 shows the output voltages V 71 to V 73 of the dif ferential amplifier 71 to 73 in Fig. 3, which directly form the difference in the output signals of the complementary spatial frequency discriminators of the type shown in Fig. 2.
Die Ausgangskomparatoren 51′ bis 53′ vergleichen mit der Re ferenzgröße 0 und arbeiten folglich als Polaritätsdetektoren.The output comparators 51 'to 53 ' compare with the reference size 0 and consequently work as polarity detectors.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines digitalen Frequenz messers, bei welchem der Differenzverstärker jedes Paares von Diskriminatoren aus zwei aufeinanderfolgenden invertie renden Operationsverstärkerstufen 710, 711 bzw. 720, 721 so wie 730, 731 besteht, die jeweils mit einem Gegenkopplungs widerstand 712, 713 bzw. 722, 723 sowie 732, 733 versehen sind. Fig. 5 shows an embodiment of a digital frequency meter, in which the differential amplifier of each pair of discriminators consists of two successive inverting operational amplifier stages 710 , 711 or 720 , 721 as well as 730, 731 , each with a negative feedback resistance 712 , 713 and 722 , 723 and 732 , 733 are provided.
Die Fig. 6 zeigt das Schaltbild einer vereinfachten Ausfüh rung des Frequenzmessers, bei welchem die Differenzverstär ker der Paare von räumlichen Frequenzdiskriminatoren eine erste gemeinsame Stufe 700 und verschiedene zweite Stufen 714, 715, 716 aufweisen. Die gemeinsame Verwendung der er sten Stufe 700 der Differenzverstärker vermindert die Anzahl von verwendeten Operationsverstärkern sowie die Anzahl von Wichtungswiderständen. Sie rechtfertigt sich durch die fol gende Gleichung, welche die Frequenzantwort X′′m(f) desselben Paares von räumlichen Frequenzdiskriminatoren wiedergibt: Fig. 6 shows the circuit diagram of a simplified exporting tion of the frequency meter, wherein the Differenzverstär ker of the pairs of spatial frequency discriminators a first common stage 700 and different second stages 714, 715, have 716th The common use of the first stage 700 of the differential amplifier reduces the number of operational amplifiers used and the number of weighting resistors. It is justified by the following equation, which represents the frequency response X′′m (f) of the same pair of spatial frequency discriminators:
Wenn die Koeffizienten Xn so gewählt werden, daß der Term C′′m,n-Xn negativ ist, unabhängig von dem jeweiligen Paar von räumlichen Frequenzdiskriminatoren, so ist ersichtlich, daß die Wichtungskoeffizienten aller Paare von räumlichen Fre quenzdiskriminatoren zerlegt werden können in einen Satz von Wichtungskoeffizienten (C′′m,n-Xn), die alle negativ sind und für jedes Paar von räumlichen Frequenzdiskriminatoren va riieren, sowie in einen Satz von Wichtungskoeffizienten Xn, die alle positiv sind und für alle Paare von räumlichen Fre quenzdiskriminatoren invariant sind. Der Satz von postiven Wichtungskoeffizienten Xn wird mittels der ersten gemeinsa men invertierenden Operationsverstärkerstufe 700 verwirk licht, die eingangsseitig über Widerstände mit den verschie denen Ausgängen der Detektoren verbunden ist, während der Satz von negativen Wichtungskoeffizienten durch die zweiten, individuellen und invertierenden Operationsverstärkerstufen 714, 715, 716 gebildet wird, die eingangsseitig über Wider stände mit dem Ausgang der ersten Stufe sowie mit den ver schiedenen Detektoren verbunden sind. Diese Schaltungsaus führung läuft in der Praxis darauf hinaus, daß als zweiter Diskriminator jedes Paares ein einziger räumlicher Frequenz diskriminator verwendet wird, dessen Frequenzantwort vom Typ eines Allpasses ist und der ausgangsseitig ein Signal abgibt, dessen Pegel dem mittleren Ausgangspegel des ersten räumli chen Frequenzdiskriminators jedes Paares entspricht.If the coefficients Xn are chosen so that the term C''m, n-Xn is negative, regardless of the respective pair of spatial frequency discriminators, it can be seen that the weighting coefficients of all pairs of spatial frequency discriminators can be broken down into one sentence weighting coefficients (C′′m, n-Xn), which are all negative and vary for each pair of spatial frequency discriminators, and a set of weighting coefficients Xn, which are all positive and are invariant for all pairs of spatial frequency discriminators. The set of positive weighting coefficients Xn is realized by means of the first common inverting operational amplifier stage 700 , which is connected on the input side via resistors to the various outputs of the detectors, while the set of negative weighting coefficients is achieved by the second, individual and inverting operational amplifier stages 714 , 715 , 716 is formed, which are connected on the input side via resistors to the output of the first stage and to the various detectors. This circuit implementation in practice boils down to the fact that a single spatial frequency discriminator is used as the second discriminator of each pair, the frequency response of which is of the all-pass type and the output side emits a signal whose level corresponds to the mean output level of the first spatial frequency discriminator of each pair corresponds.
Die Fig. 7 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsvariante, die darin besteht, daß zwei Frequenzmesser der vorstehend beschriebenen Art in Kaskade geschaltet werden, mit einem gemeinsam verwendeten Codierer, unter Verwendung von Über tragungsleitungen verschiedener Länge. Die erste Schaltungs anordnung 100 arbeitet mit einer Übertragungsleitung 101, deren Zwischenabgriffe einen Abstand aufweisen, der in Ab hängigkeit vom gesamten Betriebsfrequenzbereich gewählt ist, und liefert ein Wort aus m′ Bits, welches die zu messende Frequenz darstellt. Die zweite Schaltungsanordnung 200 ar beitet mit einer Übertragungsleitung 201, deren Zwischenab griffe einen größeren Abstand haben, für ein Betriebsfre quenzband, das 2m′-mal kleiner ist, und liefert ein Binär wort aus m′′ Bits, welches die zu messende Frequenz mit einer Genauigkeit darstellt, die 2m′-mal so groß ist wie die des Binärwortes der ersten Stufe 100, wobei jedoch die Mehrdeu tigkeiten durch das Binärwort dieser ersten Schaltungsanord nung aufgelöst sind. Das von der ersten Schaltungsanordnung 100 abgegebene Binärwort aus m′ Bits und das von der zweiten Schaltungsanordnung 200 abgegebene Binärwort von m′′ Bits werden an einen gemeinsamen Codierer 300 angelegt, der einen Meßwert für die Frequenz im natürlichen Binärcode auf m′+m′′ Bits ausgibt. Fig. 7 shows the circuit diagram of an embodiment, which consists in that two frequency meters of the type described above are connected in cascade, with a shared encoder, using transmission lines of different lengths. The first circuit arrangement 100 works with a transmission line 101 , the intermediate taps have a distance which is selected as a function of the entire operating frequency range, and supplies a word of m 'bits, which represents the frequency to be measured. The second circuit arrangement 200 ar works with a transmission line 201 , the intermediate handles have a greater distance, for a frequency band Betriebsfre that is 2 m ' times smaller, and provides a binary word from m''bits, which the frequency to be measured with represents an accuracy that is 2 m ' times as large as that of the binary word of the first stage 100 , but the ambiguities are resolved by the binary word of this first circuit arrangement. The binary word of m ′ bits emitted by the first circuit arrangement 100 and the binary word of m ′ ′ bits emitted by the second circuit arrangement 200 are applied to a common encoder 300 , which measures the frequency in the natural binary code to m ′ + m ′ ′. Outputs bits.
Die Genauigkeit dieser beiden in Kaskade geschalteten Schal tungsanordnungen ist die einer Anordnung, die m′+m′′ Bits als Frequenzmeßwert abgibt und etwa 2m′+m′′ Detektoren benötigt, während nur 2m′ + 2m′′ vorhanden sind.The accuracy of these two cascaded circuit arrangements is that of an arrangement which outputs m ′ + m ′ ′ bits as a frequency measurement and requires approximately 2 m ′ + m ′ ′ detectors, while only 2 m ′ + 2 m ′ ′ are present.
In der Praxis hat die Abtastung in diesen beiden, in Kaskade geschalteten Schaltungsanordnungen zur Wirkung, daß die Emp findlichkeit der zweiten Schaltungsanordnung 200 periodisch in Abhängigkeit von der Frequenz gegen Null geht. Der Kom paratur 400 hat die Aufgabe, festzustellen, ob die zweite Schaltungsanordnung 200 in einer Zone geringer Empfindlich keit arbeitet. Wenn dies zutrifft, muß die von der zweiten Schaltungsanordnung gemessene Frequenz durch die ersetzt werden, die der Zone geringer Empfindlichkeit entspricht. Für den Fall, daß sich der am Ende der Übertragungsleitung 200 liegende Kurzschluß in einem Abstand von dem ersten De tektor befindet, der gleich der Hälfte des Teilungsabstandes zwischen den Detektoren ist, ist dieser zu ersetzende Wert 0. Diese Ersetzung erfolgt durch AND-Torschaltungen 500, die durch den Komparator 400 gesteuert werden und zwischen die zweite Schaltungsanordnung 200 und den Codierer 300 einge fügt sind.In practice, the sampling in these two cascade-connected circuit arrangements has the effect that the sensitivity of the second circuit arrangement 200 periodically tends to zero depending on the frequency. The com parature 400 has the task of determining whether the second circuit arrangement 200 is operating in a zone of low sensitivity. If so, the frequency measured by the second circuit must be replaced by that corresponding to the low sensitivity zone. In the event that the short circuit at the end of the transmission line 200 is at a distance from the first detector which is equal to half the pitch between the detectors, this value to be replaced is 0. This replacement is carried out by AND gates 500 , which are controlled by the comparator 400 and are inserted between the second circuit arrangement 200 and the encoder 300 .
Claims (8)
- - eine Übertragungsleitung (1), die am Ausgang (2) kurzge schlossen ist und am Eingang (3) ein Signal der zu messen den Frequenz aufnimmt, wobei dieses Signal eine stehende Welle in der Übertragungsleitung (1) erzeugt;
- - Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16), die entlang der Über tragungsleitung (1) verteilt sind und die Amplitude der Hüllkurve der stehenden Wellen abtasten, die in der Über tragungsleitung (1) erzeugt werden;
- - erste räumliche Frequenzdiskriminatormittel (31, 32, 33), deren Anzahl gleich m ist, worin m eine ganze Zahl größer als 1 ist, deren Eingänge parallel an die Ausgänge der De tektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16) angeschlossen sind und deren Frequenzantwort periodisch mit alternierenden Durch laßbändern und Sperrbändern ist, die durch Übergänge ge trennt sind, welche regelmäßig innerhalb des Gesamtfre quenzbereiches des Frequenzmessers verteilt sind, wobei ihre Anzahl sich verzweifacht, wenn man von einer ersten Filtereinrichtung zu einer anderen übergeht, wobei ferner diese Anzahl von einem einzigen Übergang in der Nähe der Hälfte des Gesamtfrequenzbereiches des Frequenzmessers für eine erste räumliche Frequenzdiskriminatoreinrichtung (31) ausgeht, um in einem anderen (33) 2m-1 Übergänge zu errei chen;
- - zweite räumliche Frequenzdiskriminatormittel (41, 42, 43), deren Anzahl gleich m ist und deren Eingänge parallel an die Ausgänge der Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16) ange schlossen sind, und deren Frequenzanwort jeweils komple mentär zu der der ersten räumlichen Frequenzdiskriminator mittel (31, 32, 33) ist; und
- - eine Menge von m Komparatoren (51, 52, 53), die jeweils das Ausgangssignal eines ersten räumlichen Frequenzdiskri minatormittels (31 bzw. 32, 33) mit dem des zweiten Fre quenzdiskriminatormittels (41 bzw. 42, 43) vergleicht, dessen Frequenzantwort komplementär zu der jeweils eigenen ist, und die gemeinsam ein Wort von m Bits ausgeben, das für die zu messende Frequenz charakteristisch ist.
- - A transmission line ( 1 ) which is short-circuited at the output ( 2 ) and at the input ( 3 ) receives a signal to measure the frequency, this signal generating a standing wave in the transmission line ( 1 );
- - Detectors ( 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 ), which are distributed along the transmission line ( 1 ) and scan the amplitude of the envelope of the standing waves, which are generated in the transmission line ( 1 );
- - First spatial frequency discriminator means ( 31 , 32 , 33 ), the number of which is equal to m, where m is an integer greater than 1, the inputs of which are parallel to the outputs of the detectors ( 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 ) are connected and whose frequency response is periodic with alternating passbands and stop bands, which are separated by transitions that are regularly distributed within the total frequency range of the frequency meter, the number of which doubles when one passes from a first filter device to another, whereby furthermore, this number assumes a single transition near half the total frequency range of the frequency meter for a first spatial frequency discriminator device ( 31 ) to achieve 2 m-1 transitions in another (33);
- - Second spatial frequency discriminator means ( 41 , 42 , 43 ), the number of which is equal to m and whose inputs are connected in parallel to the outputs of the detectors ( 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 ), and whose frequency response is complementary to each that is the first spatial frequency discriminator medium ( 31 , 32 , 33 ); and
- - A set of m comparators ( 51 , 52 , 53 ), each of which compares the output signal of a first spatial frequency discriminator means ( 31 or 32 , 33 ) with that of the second frequency discriminator means ( 41 or 42 , 43 ), the frequency response of which is complementary to each one, and which together output a word of m bits, which is characteristic of the frequency to be measured.
- - eine Übertragungsleitung (1), die am Ausgang (2) kurzge schlossen ist und am Eingang (3) ein Signal unbekannter Frequenz empfängt, wobei dieses Signal in der Übertra gungsleitung (1) stehende Wellen erzeugt;
- - Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16), die entlang der Über tragungsleitung (1) verteilt sind und die Amplitude der Hüllkurve der stehenden Wellen im Inneren der Übertra gungsleitung (1) abtasten;
- - erste räumliche Frequenzdiskriminatormittel, deren Anzahl gleich m ist, worin m eine ganze Zahl größer als 1 ist, deren Eingänge parallel mit den Ausgängen der Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16) verbunden sind und deren Frequenz antwort periodisch ist mit abwechselnden Durchlaßbändern und Sperrbändern, die durch Übergänge getrennt sind, wel che regelmäßig über den gesamten Frequenzbereich des Fre quenzmessers verteilt sind, wobei ihre Anzahl sich verdop pelt, wenn man von einem ersten räumlichen Frequenzdiskri minatormittel zu einem andern übergeht, und wobei diese Anzahl von einem einzigen Übergang in der Nähe der Hälfte des gesamten Frequenzbereiches des Frequenzmessers für ein erstes räumliches Frequenzdiskriminatormittel ausgeht, um bei einem anderen 2m-1 Übergänge zu erreichen;
- - zweite räumliche Frequenzdiskriminatormittel, deren Ein gänge parallel mit den Ausgängen der Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16) verbunden sind, und deren Frequenzantwort vom Typ eines Allpasses ist, mit einem Pegel des Ausgangs signals, der dem mittleren Pegel der Ausgangssignale der ersten räumlichen Frequenzdiskriminatormittel entspricht; und
- - eine Gruppe von m Komparatoren, die jeweils das Ausgangs signal eines ersten räumlichen Frequenzdiskriminatormit tels mit dem Ausgangssignal der zweiten räumlichen Fre quenzdiskriminatormittel vergleichen, um gemeinsam ein Wort von m Bits auszugeben, welches kennzeichnend für die zu messende Frequenz ist.
- - A transmission line ( 1 ) which is short-circuited at the output ( 2 ) and receives a signal of unknown frequency at the input ( 3 ), this signal in the transmission line ( 1 ) generating standing waves;
- - detectors (11, 12, 13, 14, 15, 16) which (1) are distributed along the About tragungsleitung and the amplitude of the envelope of the standing waves inside the Übertra supply line (1) sample;
- - First spatial frequency discriminator means, the number of which is equal to m, where m is an integer greater than 1, the inputs of which are connected in parallel to the outputs of the detectors ( 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 ) and whose frequency response is periodic with alternating passbands and stopbands separated by transitions which are regularly distributed over the entire frequency range of the frequency meter, the number of which doubles when one passes from a first spatial frequency discriminator means to another, and this number of assumes a single transition near half the entire frequency range of the frequency meter for a first spatial frequency discriminator means to achieve 2 m-1 transitions in another;
- - Second spatial frequency discriminator means, whose inputs are connected in parallel to the outputs of the detectors ( 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 ), and whose frequency response is of the all-pass type, with a level of the output signal which corresponds to the average level corresponds to the output signals of the first spatial frequency discriminator means; and
- - A group of m comparators, each of which compares the output signal of a first spatial frequency discriminator means with the output signal of the second spatial frequency frequency discriminator means to jointly output a word of m bits, which is characteristic of the frequency to be measured.
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