DE4421943C2 - Verfahren zur Messung der Frequenz oder Periodendauer von periodischen Signalen - Google Patents

Verfahren zur Messung der Frequenz oder Periodendauer von periodischen Signalen

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/02—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
    • G01R23/10—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage by converting frequency into a train of pulses, which are then counted, i.e. converting the signal into a square wave

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Frequenz oder Periodendauer von periodischen Signalen nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Um die Frequenz oder als Reziprokwert der Periodendauer eines periodischen Signales zu bestimmen, sind aus der Druckschrift "Elmar Schrüfer: Elektrische Meßtechnik, Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen, Carl Hanser Verlag, 2. Auflage, München 1984, S. 313-319" grundsätzlich zwei Verfahren bekannt:
Bei der Frequenzmessung wird die Anzahl von Ereignissen, die während einer vorbestimmten Meßzeit auftritt, gezählt. Die Frequenz bzw. die Periodendauer bestimmt sich dann aus dem Verhältnis von Anzahl der gezählten Ereignisse zur Meßzeit. Nachteilig ist hierbei, daß für eine gute Genauigkeit die Meßzeit sehr viel größer als die Periodendauer des zu erfassenden periodischen Signales sein muß. Bei instationären Signalen ergibt sich zudem das Problem, daß Änderungen der Periodendauer des periodischen Signales nur dann gut erfaßt werden können, wenn die Zeit für die Änderung deutlich größer als die Meßzeit ist.
Aus der Periodendauermessung ist es bekannt, die Zeit zwischen zwei Ereignissen zu messen und damit die Periodendauer direkt zu erfassen. Im Gegensatz zur Frequenzmessung sind hier mit zunehmender Frequenz des periodischen Signales die Genauigkeit der Messung ab. Nachteilig ist insbesondere, daß die Meßzeit von der Frequenz des periodischen Signales abhängig ist und damit auch die Meßrate (Anzahl der Messungen je Zeiteinheit) nicht konstant ist.
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Frequenz oder Periodendauer von periodischen Signalen zu schaffen, das mit einer im wesentlichen konstanten Meßrate arbeitet und eine erhöhte Genauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Nach der Erfindung ist es vorgesehen, zunächst während einer vorgegebenen Meßzeit die Anzahl der Ereignisse zu erfassen und unmittelbar anschließend zusätzlich die Zeit bis zum nächsten Ereignis zu bestimmen. Die Frequenz des periodischen Signales ergibt sich dann aus dem Verhältnis der Anzahl der gezählten Ereignisse plus eins zur Summe aus Meßzeit und zusätzlich erfaßter Zeit. Die Periodendauer wird in bekannter Weise als Reziprokwert der Frequenz bestimmt. Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß die Meßrate durch die Vorgabe der Meßzeit im wesentlichen fest einstellbar und damit den Erfordernissen der Aufgabenstellung anpaßbar ist. Die maximale Abweichung von der vorgegebenen Meßzeit beträgt eine Periodendauer des periodischen Signales, nämlich genau dann, wenn genau zum Ende der Meßzeit ein Ereignis eintritt. Dabei ist es möglich, die Ausgabe der Meßwerte exakt zeitäquidistant einzustellen, wobei die Ausgabe der Meßwerte um eine Messung versetzt erfolgt.
Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm mit einer Frequenzmessung nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein Diagramm mit einer Periodendauermessung nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 ein Diagramm mit einer Messung nach der Erfindung und
Fig. 4 ein Diagramm mit einer Messung nach der Erfindung in zeitäquidistanten Schritten.
In Fig. 1 ist ein periodisches Signal 1 über einer Zeitachse t dargestellt. Während einer vorbestimmten Meßzeit Tmeß zählt ein nicht dargestellter Ereigniszähler eine Anzahl n von Impulsen I als Ereignisse. In einer nicht gezeigten nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtung wird dann aus dem Verhältnis von Meßzeit Tmeß zur Anzahl n der Impulse I die Frequenz f bzw. die Periodendauer P des periodischen Signales 1 bestimmt.
Fig. 2 zeigt eine Periodendauermessung ebenfalls am Beispiel des periodischen Signales 1 über der Zeitachse t. Die Meßzeit Tmeß ergibt sich hier aus dem zeitlichen Abstand eines ersten Impulses I₀ zum nachfolgenden Impuls I₁. Die Meßzeit Tmeß entspricht unmittelbar der Periodendauer P des periodischen Signales 1; sofern erforderlich kann in einer nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtung durch Reziprokwertbildung auch die Frequenz f des periodischen Signales 1 bestimmt werden.
Fig. 3 zeigt nochmals am Beispiel des periodischen Signales 1 über der Zeitachse t eine Messung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Während der vorgegebenen Meßzeit Tmeß wird die bei der Frequenzmessung nach Fig. 1 die Anzahl n der Impulse 1 gezählt. Nach Ablauf der Meßzeit Tmeß wird mit einer Zeitmessung einer Restzeit TRest bis zu dem ersten auf die Meßzeit Tmeß folgenden Impuls I+ erfaßt. Die Frequenz f des periodischen Signales 1 ergibt sich dann wie folgt
Zur Ermittlung der Periodendauer P wird diese Gleichung wie folgt umgestellt:
Schließlich ist in Fig. 4 eine fortdauernde Frequenzmessung in zeitäquidistanten Schritten dargestellt. Hierbei folgen die Meßzeiten Tmeß-1, Tmeß und Tmeß+1 unmittelbar aufeinander um eine zeitäquidistante Abfolge der Messungen zu erreichen. Damit die nach der Erfindung erreichte Verbesserung der Genauigkeit auch bei dieser fortdauernden und zeitäquidistanten Messung erreicht wird, wird weiterhin mit einer Zeitmessung die Restzeit TRest bis zu dem ersten auf die Meßzeit Tmeß folgenden Impuls I+ erfaßt. Die Frequenz f des periodischen Signales 1 ergibt sich nun wie folgt:
wobei ein Zusatzwert a berücksichtigt, ob sich durch die aktuelle Restzeit TRest und die Restzeit der vorhergehenden Messung TRest-1 ein zusätzlicher Impuls I+ ergibt. Der Zusatzwert a ist wie folgt bestimmt:
a = 1, wenn TRest <0 und TRest-1 = 0
a = 0, wenn TRest = 0 und TRest-1 = 0
a = 0, wenn TRest < 0 und TRest-1 < 0
a = -1 wenn TRest = 0 und TRest-1 = 0
Da diese Auswertung erst nach der der Bestimmung der aktuellen Restzeit TRest möglich ist erfolgt die Ausgabe des Frequenzwertes bzw. der hieraus gebildeten Periodendauer vorzugsweise zum Ablauf der nachfolgenden Meßzeit Tmeß+1. Damit stehen die Meßwerte zu bekannten Zeitpunkten zur Verfügung.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung der Frequenz (f) eines periodischen Signales (I), wobei das periodische Signal aus periodisch auftretenden Ereignissen (I) besteht, mit folgenden Schritten:
  • A. Zählen der Ereignisse (I) während unmittelbar aufeinanderfolgender, vorgegebener Meßzeiten (Tmeß-1, Tmeß/ Tmeß+1),
  • B. Erfassen einer ersten Restzeit (TRest-1) der vorhergehenden Messung bis zum Auftreten eines nachfolgenden Ereignisses (I) während der aktuellen Meßzeit (Tmeß),
  • C. Erfassen einer zweiten Restzeit (Trest) nach Ablauf der vorgegebenen Meßzeit (Tmeß) bis zum Auftreten eines nachfolgenden Ereignisses (I+)
  • D. Bestimmen der Frequenz (f) aus dem Quotienten einer um einen Zusatzwert (a) erhöhten Anzahl (n) der Ereignisse (I) zur Summe aus vorgegebener Meßzeit (Tmeß) und der Differenz der zweiten Restzeit (Trest) zur ersten Restzeit (TRest-1), wobei der Zusatzwert (a)
    • a. den Wert 1 annimmt, wenn die zweite Restzeit (TRest) größer als Null und die erste Restzeit (TRest-1) gleich Null ist,
    • b. den Wert -1 annimmt, wenn sowohl die zweite Restzeit (TRest) als auch die erste Restzeit (Rest-1) gleich Null sind und
    • c. ansonsten den Wert Null annimmt.
2. Verfahren zur Messung der Periodendauer (P) eines periodischen Signales (1), wobei das periodische Signal aus periodisch auftretenden Ereignissen (I) besteht, mit folgenden Schritten:
  • A. Zählen der Ereignisse (I) während unmittelbar aufeinanderfolgender, vorgegebener Meßzeiten (Tmeß-1, Tmeß, Tmeß+1),
  • B. Erfassen einer ersten Restzeit (TRest-1) der vorhergehenden Messung bis zum Auftreten eines nachfolgenden Ereignisses (I) während der aktuellen Meßzeit (Tmeß),
  • C. Erfassen einer zweiten Restzeit (Trest) nach Ablauf der vorgegebenen Meßzeit (Tmeß) bis zum Auftreten eines nachfolgenden Ereignisses (I+)
  • D. Bestimmen der Periodendauer (P) aus dem Quotienten der Summe aus vorgegebener Meßzeit (Tmeß) und der Differenz der zweiten Restzeit (Trest) zur ersten Restzeit (TRest-1) zu einer um einen Zusatzwert (a) erhöhten Anzahl (n) der Ereignisse (I), wobei der Zusatzwert (a)
    • a. den Wert 1 annimmt, wenn die zweite Restzeit (TRest) größer als Null und die erste Restzeit (TRest-1) gleich Null ist,
    • b. den Wert -1 annimmt, wenn sowohl die zweite Restzeit (TRest) als auch die erste Restzeit (TRest-1) gleich Null sind und
    • c. ansonsten den Wert Null annimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe des Frequenzwertes (f) der aktuel­ len Meßzeit (Tmeß) jeweils zu Beginn der darauffolgenden Meßzeit (Tmeß+1) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe der Periodendauer (P) der aktuel­ len Meßzeit (Tmeß) jeweils zu Beginn der darauffolgenden Meßzeit (Tmeß+1) erfolgt.
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