DE4311759A1

DE4311759A1 - Verfahren zum Abtasten von analogen Reaktionssignalen von Systemen

Info

Publication number: DE4311759A1
Application number: DE19934311759
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Pruchnik; Justus Dipl Ing Pockrandt; Reinhard Dipl Ing Hellmund
Original assignee: GRAHNERT WERNER 01326 DRESDEN DE
Current assignee: GRAHNERT, JOACHIM, DR., 01326 DRESDEN, DE
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1994-10-13
Anticipated expiration: 2013-04-09
Also published as: DE4311759C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtasten von analogen Reaktionssignalen von Systemen, wobei diese Reaktionssignale nach einer Erregung, deren Art und Zeitpunkt wählbar ist, nach einer Reaktionszeit abklingen und dem System entnommen werden und eine Abtastimpulsfolge erzeugt wird, durch die Werte des Reaktionssignales zum Zeitpunkt des Auftretens der einzelnen Abtastimpulse als diskrete Werte ermittelt werden.

Es ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, wel ches zum Zwecke des Testens von Lichtleiteranordnungen einge setzt wird. Dabei wird die Reaktion eines Systems, in diesem Falle einer Lichtleiteranordnung, auf die Beaufschlagung mit einem Erregungsimpuls gemessen.

Dabei wird auf den Eingang einer Lichtleiteranordnung ein Lichtimpuls gegeben und anschließend das Verhalten am Eingang gemessen. Dazu wird der Eingang an eine Fotodiode, die Be standteil des Meßsystems ist, angekoppelt. Somit werden die Lichtsignale, die als Reaktion auf den Lichtimpuls am Eingang an der Lichtleiteranordnung ankommen, in elektrische Signale umgesetzt, von einer Meßverstärkeranordnung der eingangs ge nannten Art verstärkt und einer nachfolgenden Auswerteeinrich tung, wie beispielsweise einem über Analog-Digital-Umsetzer angekoppelten Rechner, zugeführt.

Die einzelnen Elemente der Lichtleiteranordnung lösen unter schiedliche Reaktionen aus. So liefert der Lichtleiter selbst eine geringe Rückstreuung, Verbindungsstellen reflektieren den Lichtimpuls in geringem Maße und Bruch- oder Schnittstellen reflektieren in stärkerem Maße, d. h. etwa in einer Größenord nung von bis zu 4%. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser zurück kommenden Signale kann sodann ein Bild von der Qualität der Lichtleiteranordnung erstellt oder Störungen ermittelt werden.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtimpulses und der zurückkommenden Reaktionssignale bestimmen, bezogen auf die Lichtleiterlänge, über die noch wahrnehmbare Reaktionen gemes sen werden können, die Reaktionszeit des Systems. Da auch bei sehr großen Leiterlängen diese Reaktionszeit sehr klein ist, ist es erforderlich, innerhalb dieses kurzen Zeitraumes das Reaktionssignal vollständig abzutasten. Dies erfordert wieder um sehr hohe Abtastfrequenzen.

Solch hohe Abtastfrequenzen stellen hohe Anforderungen an die Gerätetechnik, wodurch deren Aufwand sehr hoch wird. Die Mög lichkeit einer kostengünstigen Integration der Elektronik besteht nicht.

So ist die Verarbeitung hoher Frequenzen stets mit großen Ver lustleistungen verbunden.

Die für den Echtzeitbetrieb erforderlichen schnellen Analog- /Digitalumsetzer schränken außerdem die Genauigkeit des Ver fahrens sehr ein, da die Abtastfrequenz nicht beliebig erhöht werden kann, was jedoch für eine sehr genaue diskrete Messung nötig wäre. Die Auflösung ist also begrenzt. Eine Anpassung an unterschiedliche Reaktionszeiten und Auflösungsgrade, insbe sondere an kurze Reaktionszeiten und hohe Auflösungsgrade, ist nicht möglich.

Da das Meßergebnis aufgrund des geringen Nutz-/Rauschabstandes zumeist sehr stark verrauscht ist, entstehen zusätzliche Feh ler.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, bei sehr kurzen Reaktions zeiten von Systemen eine hohe Auflösung der Messung des Reak tionssignales bei geringer Leistungsaufnahme des Meßsystems zu erreichen, eine einfache Anpassung an verschiedene Reaktions zeiten und Auflösungsgrade zu ermöglichen und die Möglichkeit einer elektronischen Integration zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei jeweils in sich äquidistante Impulsfolgen mit unterschied lichen Pulsfrequenzen erzeugt werden. Dabei wird das System mit der niedrigeren Pulsfrequenz mehrfach erregt. Das dabei hervorgerufene Reaktionssignal jeder Erregung wird mit der höheren Pulsfrequenz abgetastet. Aus der Gesamtheit aller Abtastungen wird sodann ein Wertevorrat des Reaktionssignales erzeugt.

Damit wird es möglich, Signale, die einen sehr kurzen Signal verlauf aufweisen, mit Frequenzen abzutasten, die relativ niedrig sind und dennoch eine sehr genaue Messung zu erzie len.

In einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Periodendauer der ersten Impulsfolge ein ganzzahliges Vielfa ches der Periodendauer der zweiten Impulsfolge. Zum Zeitpunkt des Auftretens der Impulse der ersten Impulsfolge wird das System erregt und zum Zeitpunkt des Auftretens der Impulse der zweiten Impulsfolge der diskrete momentane Wert des Reaktions signales ermittelt. Für eine vollständige Abtastfolge nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Vorgang mit einer Anzahl erster Impulse wiederholt, die dem ganzzahligen Verhältnis von Periodendauer der zweiten Impulsfolge zur Abtastauflösung ent spricht.

Dabei wird die zweite Impulsfolge nach jedem Impuls der ersten Impulsfolge verzögert gestartet. Die jeweilige Verzögerungs zeit entspricht dabei einem der Anzahl bereits erfolgter Erre gungen des Systems entsprechenden ersten ganzzahligen Vielfa chen der Abtastauflösung. Das heißt, die Änderung der Verzöge rungszeit von einer Erregung zur nächsten ist gleich dem be absichtigten Zeitabstand der Signalabtastungen des Reaktions signales.

So ist man außerdem in der Lage, mit der Anzahl der Wiederho lungen die Abtastfrequenz zu beeinflussen. Das heißt, bei sehr schnell ablaufenden Vorgängen kann ein hochgenaues Bild des Vorganges durch eine hohe Abtastauflösung, das heißt einem sehr geringen Abstand der Meßereignisse bei der Zusammenfas sung aller Meßergebnisse, erreicht werden.

In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Periodendauer der ersten Impulsfolge mindestens so groß ge wählt, wie die Reaktionszeit des Systems ist.

Es ist vorteilhaft, daß die Abtastauflösung einer Grundtakt frequenz entspricht.

Die Grundtaktfrequenz kann relativ hoch gewählt werden, da damit noch keine Festlegung über die Verarbeitungsgeschwindig keit nach der Abtastung getroffen wird. Somit kann eine sehr hohe Abtastauflösung erreicht werden und die Grundtaktfrequenz ist damit sehr hoch, ohne jedoch diese Verarbeitungsgeschwin digkeit zu erhöhen. Außerdem ist diese Abhängigkeit der Grund taktfrequenz von der Abtastauflösung günstig, da sodann nur ein einfaches Teilen erfolgen muß, um die einzelnen Impuls folgen zu erzielen.

Eine weitere günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Periodendauer der Grundtaktfre quenz einem zweiten ganzzahligen Vielfachen der Abtastauflö sung entspricht, wobei eine dem zweiten ganzzahligen Vielfa chen entsprechende Anzahl von Teilwertevorräten ermittelt wird. Dies erfolgt dadurch, daß die zweite Impulsfolge bei jedem Impuls der ersten Impulsfolge derart verzögert gestartet wird, daß als jeweilige Verzögerungszeit ein der Anzahl be reits erfolgter Erregungen des Systems für diesen Teilwerte vorrat entsprechendes erstes ganzzahliges Vielfaches der Grundtaktperiode und zusätzlich gemäß der Anzahl bereits er mittelter Teilwertevorräte ein drittes Vielfaches der Abtast auflösung eingefügt werden. Aus der Gesamtheit der Teilwer tevorräte wird sodann der Wertevorrat des Reaktionssignales gebildet.

Mit Festlegung der Größen der Grundfrequenz, in der gearbeitet werden soll, ist nach dieser Ausführung der Erfindung das zweite ganzzahlige Vielfache der Abtastauflösung determiniert, das der Anzahl der Teilwertevorräte, die nunmehr zu ermitteln sind, entspricht.

Die zweite Impulsfolge wird nunmehr nach jedem Erregungsimpuls aus der ersten Impulsfolge mit einer immer größer werdenden Verzögerungszeit gestartet. Die Größe der Verzögerungszeit steigt dabei von Erregung zu Erregung an, wobei die Anzahl bereits erfolgter Erregungen und die Anzahl bereits ermittel ter Teilwertevorräte berücksichtigt werden.

Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird es möglich, den gesamten Wertevorrat zunächst in Teilwertevorräte oder in sogenannte Teilbilder zu zerlegen.

Da die Periodendauer der Grundtaktfrequenz diesem zweiten ganzzahligen Vielfachen entspricht, kann die Grundtaktfrequenz herabgesetzt werden, wodurch die Bedingungen an die schal tungstechnische Realisierung entschärft werden.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein schematisches Impulsdiagramm eines erfindungsgemä ßen Verfahrens zum Testen von Lichtleiteranordnungen, bei dem die zweite Impulsfolge nach jedem Impuls der ersten Impulsfolge erneut gestartet wird,

Fig. 2 eine Zusammenschau aller abgetasteten Ergebnisse aus Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematisch dargestellte Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Möglichkeit der Erzeugung der zweiten Im pulsfolge C dargestellt. Hierbei wird eine erste Impulsfolge A erzeugt und die Impulse dieser ersten Impulsfolge A dienen der Erregung einer nicht näher dargestellten Lichtleiteranord nung. Diese Lichtleiteranordnung wird zum Zeitpunkt des Auf tretens der Impulse der ersten Impulsfolge mit Laserblitzen beaufschlagt. Diese Laserblitze rufen eine Vielzahl von Reak tionssignalen B hervor.

Zum Auftreten eines jeden Impulses der ersten Impulsfolge A wird eine äquidistante Impulsfolge C mit einer Verzögerung gestartet. Diese Verzögerungszeit ΔT_v ist abhängig von der Anzahl b bereits erfolgter Erregungen und genügt der Bedingung

ΔT_v = b × T_A.

Die zweite Impulsfolge C weist eine Periodendauer τ₂ auf, die ein 1/n-faches der Periodendauer τ₁ der ersten Impulsfolge A beträgt.

Während des Auftretens eines Impulses der zweiten Impulsfolge C wird das Reaktionssignal B abgetastet, so daß ein Wertevor rat von diskreten Reaktionssignalen entsteht.

Nach einer Anzahl a von Impulsen der ersten Impulsfolgen A, die hierbei der Bedingung

genügt, ist ein lückenloser Wertevorrat des Reaktionssignales erzeugt. Der zu einem Bild zusammengefaßte Wertevorrat ist in Fig. 2 dargestellt.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann mit der Erhöhung der Abtastauflösung T_A, d. h. mit einer Verringerung der Differenz zeit ΔT eine beliebige Dichte des Werte des Wertevorrates er reicht werden, ohne daß dies mit einer Erhöhung der Abtastfre quenz verbunden ist.

In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des bei der Beschreibung zu den Fig. 1 und 2 dargestellten Ver fahrens ersichtlich.

Darin ist ein Oszillator 1 vorgesehen, der über einen Impuls wandler 2 die Grundtaktfrequenz bereitstellt. Diese wird an einem Synchronzähler 3 bereitgestellt, der ein zeitlich festes Bezugsimpulsraster erzeugt. Aus diesem Bezugsimpulsraster wird mittels eines Grundzykluszählers 4 eine Reaktionszeit des Systems berücksichtigt und die Periodendauer τ₁ der ersten Impulsfolge A eingestellt. Aus dem Bezugsimpulsraster und der Impulsfolge am Ausgang des Grundzykluszählers 4 wird über ein NAND-Gatter 5 ein Impuls für die Laserblitze bereitgestellt.

Den gleichen Aufbau wie der Synchronzähler 3 weist ein Ab tastzähler 6 auf. D. h. auch an seinem Eingang wird die Grundtaktfrequenz bereitgestellt und er erzeugt eine Impuls folge, deren Frequenz dem Bezugsimpulsraster entspricht.

Ein Setzabtastzähler 7 ist mit dem Abtastzähler 6 verbunden und gibt dem Abtastzähler 6 eine solche Voreinstellung, daß an seinem Ausgang eine Impulsfolge mit einer der Laserblitzzahl entsprechenden Verschiebung gegenüber dem Bezugsimpulsraster entsteht, die die zweite Impulsfolge C darstellt. Dazu ist sein Zähleingang mit dem Ausgang des Grundzykluszählers 4 verbunden.

Die Bezugsimpulsfolge, der Ausgang des Grundzykluszählers 4, die Grundtaktfrequenz und die zweite Impulsfolge C werden an die Eingänge eines Abbruchindikators 8 geschalten, dessen Ausgang über ein zweites NAND-Gatter 9 die Abtastung des Reak tionssignales B ein- bzw. ausschaltet, d. h., er liefert genau dann ein logisches 1-Signal und öffnet das Tor für die Impuls folge C, solange das Bild über das Reaktionssignal noch nicht vollständig ist.

Bezugszeichenliste

ΔT Differenzzeit
ΔT_v Verzögerungszeit
τ₁ Periodendauer der ersten Impulsfolge
τ₂ Periodendauer der zweiten Impulsfolge
T_A Abtastauflösung
1 Oszillator
2 Impulswandler
3 Synchronzähler
4 Grundzykluszähler
5 NAND-Gatter
6 Abtastzähler
7 Setzabtastzähler
8 Abbruchindikator
9 NAND-Gatter
a Anzahl von Impulsen der ersten Impulsfolge
A erste Impulsfolge
b Anzahl bereits erfolgter Reaktionen
B Folge von Reaktionssignalen
C zweite Impulsfolge.

Claims

1. Verfahren zum Abtasten von analogen Reaktionssignalen von Systemen, wobei diese Reaktionssignale nach einer Erre gung, deren Art und Zeitpunkt wählbar ist, nach einer Reaktionszeit abklingen und dem System entnommen werden und eine Abtastimpulsfolge erzeugt wird, durch die Werte des Reaktionssignales zum Zeitpunkt des Auftretens der einzelnen Abtastimpulse als diskrete Werte ermittelt wer den, dadurch gekennzeichnet, daß zwei jeweils in sich äquidistante Impulsfolgen (A, C) mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen erzeugt werden, daß das System mit der niedrigeren Pulsfrequenz mehrfach er regt wird, wobei das Reaktionssignal (B) jeder Erregung mit der höheren Pulsfrequenz abgetastet und aus der Ge samtheit aller Abtastungen ein Wertevorrat des Reaktions signales erzeugt wird.

2. Verfahren zum Abtasten von analogen Reaktionssignalen von Systemen nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Periodendauer (τ₂) der zweiten Impulsfolge (C) einen Bruchteil 1/n (n ganzzahlig) der Periodendauer (τ₁) der ersten Impulsfolge (A) beträgt, daß zum Zeitpunkt des Auftretens der Impulse der ersten Im pulsfolge (A) das System erregt wird, daß zum Zeitpunkt des Auftretens der Impulse der zweiten Impulsfolge (C) der diskrete momentane Wert des Reaktionssignales (B) ermit telt wird und daß die zweite Impulsfolge (C) bei jedem Impuls der erstem Impulsfolge derart verzögert gestartet wird, daß die jeweilige Verzögerungszeit einem der Anzahl bereits erfolgter Erregungen des Systems entsprechenden ersten ganzzahligen Vielfachen der Abtastauflösung (T_A), also dem beabsichtigten Zeitabstand der Signalabtastungen des Reaktionssignales, entspricht und daß der Vorgang mit einer Anzahl wiederholt wird, die dem ganzzahligen Ver hältnis von Periodendauer der zweiten Impulsfolge zur Abtastauflösung entspricht.

3. Verfahren zum Abtasten von analogen Reaktionssignalen von Systemen nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer (τ₁) der ersten Impulsfolge (A) mindestens so groß wie die Reaktionszeit des Systems ist.

4. Verfahren zum Abtasten von analogen Reaktionssignalen von Systemen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastauflösung (T_A) einer Grundtaktfrequenz entspricht.

5. Verfahren zum Abtasten von analogen Reaktionssignalen von Systemen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Periodendauer der Grund taktfrequenz einem zweiten ganzzahligen Vielfachen der Abtastauflösung (T_A) entspricht, daß eine dem zweiten ganz zahligen Vielfachen entsprechende Anzahl von Teilwertevor räten ermittelt wird, indem die zweite Impulsfolge (C) bei jedem Impuls der erstem Impulsfolge (A) derart verzögert gestartet wird, daß als jeweilige Verzögerungszeit ein der Anzahl bereits erfolgter Erregungen des Systems für diesen Teilwertevorrat entsprechendes erstes ganzzahliges Vielfa ches der Grundtaktperiode und zusätzlich gemäß der Anzahl bereits ermittelter Teilwertevorräte ein drittes Vielfa ches der Abtastauflösung (T_A) eingefügt werden, und daß aus der Gesamtheit der Teilwertevorräte der Wertevorrat des Reaktionssignales gebildet wird.