DE4113119A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur messung der mittleren periodendauer einer folge von impulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der mittleren Periodendauer einer Folge von Impulsen sowie eine Schaltungs­ anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine wesentliche Aufgabe von Automatisierungssystemen in der Prozeßautomatisierung ist das Erfassen von Analogwerten und Weiterverarbeiten in digitaler Form. Zur Umwandlung der Analogwerte in Digitalwerte werden häufig Analog/Digital- Wandler mit einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer eingesetzt. Spannungs-Frequenz-Umsetzer, die zur Analog/Digital-Umsetzung verwendet werden, sind im "ATM - Archiv für technisches Messen" J 077-5 auf der Seite 225 erwähnt. In der Zeitschrift "tm - technisches messen", 49. Jahrgang, 1982, Heft 10, sind auf Seite 366 ebenfalls integrierende Analog/Digital-Umsetzer, die auf der Grundlage eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers ar­ beiten, angeführt. Dabei wird die Meßgröße in eine propor­ tionale Frequenz einer Impulsfolge umgesetzt. Der zeitliche Mittelwert der Frequenz und damit der Meßgröße wird durch eine Zählung über eine Integrationszeit ermittelt.

Um eine schnelle Analog/Digital-Umsetzung durchzuführen, wird in "ATM - Archiv für technisches Messen" V 3613-5, Seiten 169/ 170, vorgeschlagen, anstelle der Frequenz die Periodendauer zu messen.

Aus der DE-PS 33 28 865 ist zur Periodendauermessung ein Analog/Digital-Umsetzer bekannt, der einen Spannungs-Frequenz- Umsetzer mit einem Meßimpulszähler und einem Taktimpulszähler enthält. Für den jeweiligen Inhalt des Taktimpulszählers ist ein Zwischenspeicher erforderlich, der mit seinem Übernahme­ steuereingang am Ausgang eines vor den Meßimpulszähler ge­ schalteten Tores liegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art eine möglichst schnelle Messung der Periodendauer einer Impulsfolge zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Dadurch, daß ein der Integrationszeit entsprechender Integra­ tionszeitwert aus der Summe eines einer vorgebbaren Meßzeit entsprechenden Zeitwertes und eines zu messenden Restzeit­ wertes ermittelt wird, der gleich der Zeit vom Ablauf der vorgebbaren Meßzeit bis zum Zeitpunkt des Auftretens des nächsten Impulses der Impulsfolge ist, wird mindestens eine ganze Periode bzw. ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode ermittelt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweist sich eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 als besonders geeignet.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung veranschaulicht ist, werden die Erfindung sowie deren Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipschaltung eines Analogsignal-Erfassungs­ systems,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Zählschaltung des Analog­ signal-Erfassungssystems nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der in Fig. 2 vorkommenden wesent­ lichen Signale.

In Fig. 1 ist mit MUX ein Multiplexer eines Analogsignal- Erfassungssystems bezeichnet, das z. B. Teil eines A/D- Umsetzers sein kann. Diesem Multiplexer MUX sind eine Meß­ spannung Um, Referenzspannungen, wie eine Meßbereichsanfangs­ spannung Ua und eine Meßbereichsendespannung Ue, sowie weitere Referenzgrößen U1 und U2 aufgeschaltet. Ein Verstärker VS, der dem Multiplexer MUX nachgeschaltet ist, verstärkt die Ein­ gangsspannungen Um. . .U2 und führt sie einem Spannungs- Frequenz-Umsetzer SFU zu. Eine Offset-Spannung Uo wird den verstärkten Eingangsspannungen Um. . .U2 überlagert und dient dazu, auch bei einer niederen Eingangsgröße eine genügend hohe Frequenz der Ausgangsimpulsfolge Is des Spannungs-Frequenz- Umsetzers SFU zu gewährleisten. Über eine potentialtrennende Kopplung PT werden die Ausgangsimpulse Is des Spannungs- Frequenz-Umsetzers SFU auf eine Zählschaltung ZS gegeben. Die Zählschaltung ZS besteht im wesentlichen aus einem Meßimpuls­ zähler MZ, der die Impulse der Impulsfolge Is des Spannungs- Frequenz-Umsetzers zählt, einem voreinstellbaren Taktimpuls­ zähler RZ, der z. B. als Rückwärtszähler ausgebildet ist und dem Meßtaktimpulse aufgeschaltet sind, einem Register RD zur Hinterlegung eines einer vorgebbaren Meßzeit entsprechenden Zeitwertes und Logikmitteln LG. Weiterhin weist die Zähl­ schaltung ZS eine Schnittstelle SS zu einer übergeordneten Mikroprozessorsteuerung sowie einen Takteingang TE und einen Signaleingang SE auf.

Zur Verdeutlichung der Funktions- und Wirkungsweise des Analogsignal-Erfassungssystems zeigt Fig. 2 ein Blockschalt­ bild der Zählschaltung ZS. Die in den Fig. 1 und 2 vorkom­ menden gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen. Bevor die Periodendauer gemessen werden kann, ist es zunächst erforderlich, eine Meßzeit vorzugeben, während der die Periodendauer gemessen werden soll. Ein dieser vorge­ gebenen Meßzeit entsprechender Zeitwert Zw wird von einer Mikroprozessorsteuerung über die Schnittstelle SS in das Register RD (Fig. 1) geladen und vor dem eigentlichen Meß­ vorgang im Rückwärtszähler RZ hinterlegt. Dies wird dadurch bewirkt, daß ein aktives Startsignal St der Zählschaltung ZS über den Eingang SE aufgeschaltet wird. Ist das Startsignal St inaktiv, so wird der Ladeeingang La des Rückwärtszählers RZ aktiviert und der durch die Mikroprozessorsteuerung in das Register RD hinterlegte Zeitwert Zw in den Rückwärtszähler RZ geladen. Außerdem wird mit dem inaktiven Startsignal St der Meßimpulszähler MZ über seinen Rücksetzeingang R3 zurück­ gesetzt und für eine neue Zählung der Impulse in der Impuls­ folge Is vorbereitet. Dem Rückwärtszähler RZ und dem Meß­ impulszähler MZ sind Torschaltungen vorgeschaltet, deren Aus­ gangssignale die entsprechenden Zähler für einen Zählvorgang freischalten. Die Torschaltungen sind mit UND-Gliedern UN1, UN2 mit je zwei Eingängen verwirklicht, von denen jeweils ein Eingang mit dem Ausgang Q1 eines ersten Flip-Flops FF1 ver­ bunden, der andere Eingang des UND-Gliedes UN1 bzw. UN2 mit einem Meßtakt Ta bzw. mit der Impulsfolge Is beaufschlagt ist. Der Meßtakt Ta wird von der Mikroprozessorsteuerung der Zähl­ schaltung ZS über den Takteingang TE aufgeschaltet. Das aktive Startsignal St wird dem Rücksetzeingang R1 des ersten Flip- Flops FF1 und dem Setzeingang S eines zweiten Flip-Flops FF2 aufgeschaltet, dessen Rücksetzeingang R2 mit dem Rückwärts­ zähler RZ verbunden ist. Dieser Rücksetzeingang R2 wird bei einem Zählerstand gleich Null des Rückwärtszählers RZ akti­ viert. Dem Takteingang des ersten Flip-Flops FF1 wird das Impulssignal Is über ein Negationsglied NG zugeleitet. Die Inhalte Su, Re der Zähler MZ, RZ, die gezählten Impulse Su der Impulsfolge Is und ein Restzeitwert Re sowie das Ausgangs­ signal eines NOR-Glieds NO werden der Mikroprozessorsteuerung zur weiteren Verarbeitung über die Schnittstelle SS der Zähl­ schaltung ZS zugeleitet. Das Ausgangssignal des NOR-Gliedes NO, dessen Eingänge mit den Ausgängen Q1, Q2 der Flip-Flops FF1, FF2 verbunden sind, weist auf das bevorstehende Ende einer Messung hin.

In Fig. 3 sind in einem Zeitdiagramm die in der Zählschaltung nach Fig. 2 wesentlichen Signale dargestellt. Die in den Fig. 2 und 3 vorkommenden gleichen Signale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zunächst ist das Startsignal St in­ aktiv, so daß der vorgegebene Zeitwert in den Rückwärtszähler RZ geladen, das Ausgangssignal am Ausgang Q2 des Flip-Flops FF2 aktiv, ein Torzeitsignal Iz am Ausgang Q1 des Flip-Flops FF2 inaktiv geschaltet und der Meßimpulszähler MZ rückgesetzt und die Zeitsteuerung ZS zur Messung der Periodendauer der Impulsfolge Is vorbereitet ist. Zum Zeitpunkt t0 wird das Startsignal aktiv. Am Ausgang Q2 des Flip-Flops FF2 bleibt das Ausgangssignal weiterhin aktiv, der Rücksetzeingang des Flip-Flops FF1 wird inaktiv geschaltet. Die nächste negative Taktflanke des Impulssignals Is am Takteingang des Flip-Flops FF1 zu einem Zeitpunkt t1 schaltet das Torzeitsignal Iz aktiv. Dadurch schaltet das UND-Glied UN1 bzw. UN2 positive Meßtakt­ impulsflanken des Meßtaktes Ta bzw. positive Impulsflanken der Impulsfolge Is auf den Rückwärtszähler RZ bzw. Meßimpulszähler MZ. Der Rückwärtszähler RZ dekrementiert nach jeder positiven Meßtaktimpulsflanke den in ihm hinterlegten Zeitwert, der Meß­ impulszähler MZ inkrementiert seinen Inhalt nach jeder posi­ tiven Impulsflanke der Impulsfolge Is. Es wird nun angenommen, daß zu einem Zeitpunkt ts der im Rückwärtszähler RZ hinter­ legte Zeitwert den Wert Null erreicht hat, was darauf hin­ weist, daß die vorgegebene Meßzeit abgelaufen ist. Um aller­ dings das Ergebnis der Periodendauermessung korrekt zu ermit­ teln, ist es erforderlich, sowohl eine Restzeit zwischen dem Zeitpunkt ts und einem Zeitpunkt te als auch die im vorliegen­ den Beispiel auftretende dritte positive Meßimpulsflanke der Impulsfolge Is zu einem Zeitpunkt t3 zu berücksichtigen, um ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der Impulsfolge Is zu erfassen. Ein der Restzeit entsprechender Restzeitwert Re gleich Null bewirkt, daß der Rückwärtszähler RZ den Rücksetz­ eingang R2 des Flip-Flops FF2 aktiv und somit das Ausgangs­ signal am Ausgang Q2 inaktiv schaltet. Der Mikroprozessor­ steuerung wird durch den gesetzten Ausgang des NOR-Gliedes NO angezeigt, daß das Ende des Meßvorgangs unmittelbar bevor­ steht. Die positiven Taktflanken des Meßtaktes Ta werden weiterhin dem Rückwärtszähler RZ aufgeschaltet, der seinen Inhalt weiter dekrementiert. Der Rücksetzeingang R2 des Flip-Flops FF2 wird zwischenzeitlich inaktiv, der Ausgang Q2 bleibt inaktiv geschaltet. Eine negative Impulsflanke des Impulssignals Is zum Zeitpunkt te schaltet das inaktive Signal am Ausgang Q2 des Flip-Flops FF2 auf den Ausgang Q1 des Flip-Flops FF1 als inaktives Torzeitsignal Iz und die Torschaltungen UN1, UN2 sperren. Es werden keine weiteren positiven Impulsflanken des nächsten Taktes Ta und des Impulssignals Is auf die entsprechenden Zähler geschaltet. Der der Restzeit entsprechende Restzeitwert Re des Rückwärts­ zählers RZ und die gezählten Impulse Su des Meßwertzählers MZ werden zur Ermittlung der Periodendauer der Impulsfolge Is an die Mikroprozessorsteuerung weitergeleitet. Diese ermittelt zunächst einen einer Integrationszeit entsprechenden Integra­ tionszeitwert durch Summation des Restzeitwertes mit dem der vorgegebenen Meßzeit entsprechenden Zeitwert und ermittelt die Periodendauer durch Division dieses Integrationszeitwertes mit der Impulssumme Su.

Die Mikroprozessorsteuerung ist mit einem abzuarbeitenden Programm versehen, um neben der Periodendauer auch die Meß­ spannung Um und deren Frequenz f(Um) zu ermitteln. Die Frequenz wird einfach - wie bekannt - durch Inversion der Periodendauer gebildet. Aus den bekannten Größen, z. B. der Meßbereichsanfangsspannung Ua, der Meßbereichsendespannung Ue, und den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten zugehörigen Frequenzen f(Ua), f(Ue) wird der Meßwert mittels Geradeninterpolation durch die Beziehung

errechnet, wobei
Uo die Offset-Spannung,
f(Um) die zur Meßspannung Um zugehörige Frequenz,
f(Ua) die zur Meßbereichsanfangsspannung Ua zugehörige Frequenz und
K die Steigung einer Geraden ist, die zwischen einem Wertepaar Ua/f(Ua) und einem Wertepaar Ue/f(Ue) in einer von den Eingangsspannungen abhängigen Spannungs-Frequenz-Kennlinie sich ergibt, mit der Beziehung

Selbstverständlich sind zur Meßwertermittlung auch andere Referenzgrößen, z. B. die Referenzeingangsspannungen U1, U2, geeignet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung der mittleren Periodendauer einer Folge von Impulsen (Is), die innerhalb einer Integrationszeit gezählt werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - ein der Integrationszeit entsprechender Integrationszeitwert wird durch Summation eines einer vorgebbaren Meßzeit ent­ sprechenden Zeitwertes (Zw) und eines Restzeitwertes (Re) gebildet, der gleich der Zeit vom Ablauf der vorgebbaren Meßzeit bis zum Zeitpunkt des Auftretens des nächsten Im­ pulses der Impulsfolge (Is) ist,
• - die Periodendauer wird durch Division des Integrationszeit­ wertes durch die innerhalb dieser Integrationszeit gezählten Impulse (Su) ermittelt.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei der A/D- Umwandlung, wobei eine Meßgröße (Um) in eine proportionale Frequenz einer Impulsfolge (Is) umgesetzt wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1

• - mit einem voreinstellbaren Taktimpulszähler (RZ), dem über eine erste Torschaltung (UN1) Meßtaktimpulse eines Meßtaktes (Ta) zugeführt werden und in dem ein der vorgebbaren Meßzeit entsprechender Zeitwert hinterlegt ist,
• - mit einem Meßimpulszähler (MZ), dem über eine zweite Tor­ schaltung (UN2) die Impulse der Impulsfolge (Is) zugeführt werden,
• - mit Steuermitteln (FF1, FF2), die nach Ablauf der vorgeb­ baren Meßzeit die erste und zweite Torschaltung (UN1, UN2) derart steuern, daß diese erst zum Zeitpunkt des Auftretens des nächsten Impulses der Impulsfolge (Is) keine Impulse der Impulsfolge (Is) zum Meßimpulszähler (MZ) bzw. der Meßtakt­ impulse des Meßtaktes (Ta) zum Taktimpulszähler (RZ) weiter­ leiten, wodurch die Integrationszeit beendet wird und einer Mikroprozessorsteuerung der Inhalt (Su) des Meßimpulszählers (MZ) und der Inhalt (Re) des Rückwärtszählers (RZ) zugelei­ tet werden, die Mikroprozessorsteuerung aus diesen Inhalten (Su, Re) und dem Zeitwert die Periodendauer derart ermit­ telt, daß zunächst der Integrationszeitwert durch Summation des Zeitwertes mit dem Restzeitwert gebildet und anschlie­ ßend eine Division dieses Integrationszeitwertes mit den innerhalb der Integrationszeit gezählten Impulsen (Su) des Meßimpulszählers (MZ) durchgeführt wird.

4. Analog/Digital-Umsetzer, der einen Spannungs-Frequenz-Um­ setzer (SFU) aufweist, der eine Meßgröße (Um) in eine propor­ tionale Frequenz einer Impulsfolge (Is) umsetzt, mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 3.