DE4429426C2 - Frequenzwandler mit konstantem Übersetzungsverhältnis einer veränderbaren Eingangsfrequenz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler zum Umformen eines Ein­ gangssignals mit einer ersten Frequenz in ein Ausgangssignal mit einer zweiten Frequenz, wobei die beiden Frequenzen in ei­ nem konstanten Verhältnis zueinander stehen. Es ist bekannt einen derartigen Wandler mit Hilfe von Kippstufen als Fre­ quenzteiler auszugestalten. Ein derartiger Frequenzteiler ist allerdings aufwendig und insbesondere für ungerade Teilerver­ hältnisse schwer zu realisieren.

Aus der DE 32 13 800 C2 ist ein Verfahren zur Ausgabe von der Impulsfrequenz jeweils zweier aufeinanderfolgender Impulse einer Impulsfolge entsprechenden werten und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bekannt. Dabei sind ein Oszillator und ein erster Zähler vorgesehen, der die vom Oszillator gesendeten Impulse zählt. Ein zweiter Zähler ist mit seinem Ausgang an eine Tabelle angeschaltet, wo Adressen Frequenzwerten zugeordnet sind. An den Ausgangsleitungen stehen Frequenzwerte, Periodenwerte und Adressen an, wo sie weiterverarbeitet werden können.

In der Kraftfahrzeugtechnik tritt das Problem auf, daß eine Reihe von Einrichtungen in Fahrzeugen vorgesehen sind, deren Ausgangssignal von der gefahrenen Geschwindigkeit bzw. von der gefahrenen Kilometerzahl abhängig ist. Hier können beispiels­ weise Geschwindigkeitsmesser, Kilometerzähler, Geschwindig­ keitsregler (Tempomat) oder auch das Motormanagement in Form einer Verstellung des Zündzeitpunktes verstanden werden. Die genannten Einrichtungen werden vielfach durch Impulse gesteu­ ert, so daß beispielsweise eine bestimmte Anzahl von Impulsen einem gefahrenen Kilometer oder eine bestimmte Anzahl von Im­ pulsen pro Sekunde einer bestimmten Geschwindigkeit ent­ sprechen.

Die Messimpulse kommen in der Regel von einem Zahnradsensor, der mit der Antriebswelle eines Kraftfahrzeugrades gekoppelt ist, wobei besonders die Umlauffrequenz der Welle ein Maß für die Geschwindigkeit und die Anzahl der Wellendrehungen ein Maß für die gefahrenen Kilometer sind.

Damit die geeichten Instrumente auch den richtigen Wert anzei­ gen, muß das abgetastete Kraftfahrzeugrad einen vorgegebenen Durchmesser aufweisen. Um die Instrumente oder Einrichtungen an unterschiedliche Reifengrößen anpassen zu können, muß die von dem Zahnradsensor abgegebene Impulsfrequenz um einen kon­ stanten Faktor verändert, also vergrößert oder verkleinert werden.

Die Erfindung geht daher aus von einem Wandler der sich aus dem Oberbegriff des Hauptanspruchs gegebenen Gattung. Aufgabe der Erfindung ist es, einen insbesondere für Kraftfahrzeuge geeigneten Wandler zu beschreiben, der einfach aufgebaut sein und zuverlässig arbeiten soll und der zudem bei preiswerter Ausgestaltung auch die Realisierung komplizierter Teilerver­ hältnisse in einfacher Weise ermöglichen soll.

Die Erfindung soll insbesondere auch geeignet sein, um Ein­ gangssignale mit stark schwankender Frequenz innerhalb eines großen Frequenzbereiches zuverlässig wandeln zu können.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die sich aus dem kenn­ zeichnenden Teil des Hauptanspruchs ergebende Merkmalskombina­ tion gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, die Perioden des Eingangssignals mit Hilfe der Hilfsimpulse derart zu vermessen, daß die Impulsdauer als Anzahl der Hilfsimpulse ausgedrückt wird. Weiterhin wird eine Tabelle verwendet, aus welcher sich bestimmen läßt, nach wieviel Hilfsimpulsen nach einem Flankenanstieg oder -abstieg des Eingangssignals die Flanke des Ausgangssignals geändert werden muß.

Der große Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei einer gewünschten Änderung des Teilerverhältnisses keine mechani­ schen Teile ausgetauscht werden müssen sondern nur die Tabel­ lenwerte zu ändern sind.

Damit lassen sich beispielsweise die oben beschriebenen An­ zeigeeinrichtungen in sehr einfacher Weise an die geänderten Reifengrößen eines Kraftfahrzeuges anpassen.

Um nun auch bei in ihrer Frequenz schwankenden Eingangssigna­ le, wie dies beispielsweise bei der Geschwindigkeitsmessung von Kraftfahrzeugen der Fall ist, aus einer sich ändernden Eingangsfrequenz eine mit einem bestimmten Faktor folgende Ausgangsfrequenz zu erhalten empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 2. Dabei wird in der Tabelle nicht die Anzahl der Hilfsimpulse angege­ ben, nach denen ab einem bestimmten Änderungszustand des Ein­ gangssignals das Ausgangssignal geändert wird. Vielmehr gibt ein in der Tabelle stehender Wert einen Faktor an, mit welchen ein definierter Zeitabschnitt des Eingangssignals (z. B. halbe oder ganze Periode) multipliziert werden muß um zu einem Zeit­ raum zu kommen, nach dem ab einem bestimmten Änderungszustand des Eingangssignals das Ausgangssignal in seiner Flanke geän­ dert werden muß. Dabei findet wiederum die weiter oben be­ schriebene Hilfsfrequenz Verwendung, in dem die eine ganze oder eine halbe Periode darstellende Anzahl von Hilfsimpulsen mit dem Faktor (in der Regel ein Bruch) multipliziert wird, um den gewünschten Zeitraum ermitteln zu können, ab dem nach ei­ ner bestimmten Änderung des Eingangssignals auch das Aus­ gangssignal geändert werden muß.

Eine einfache Auswertung der Tabellenwerte läßt sich durch einen Wandler erreichen, der die in Anspruch 3 vorgegebenen Merkmale besitzt.

Um dem Speicher der Tabelle möglichst klein halten zu können, empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Anwendung der Merkmalskombination nach Anspruch 4. Dabei ergibt sich eine Abhängigkeit des Umfangs des Speichers von dem gewählten Übersetzungsverhältnis Eingangsfrequenz zu Ausgangsfrequenz aber auch von der in Kauf zu nehmenden Toleranz, von der die praktisch gebildete Ausgangsfrequenz maximal von ihrem theore­ tischen Wert abweichen kann.

Eine besonders einfache Darstellung des in der Tabelle ge­ speicherten Bruchs läßt sich durch die Merkmale nach Anspruch 5 erreichen. Da der Nenner restlos durch 4 teilbar ist, läßt sich der Bruch mit relativ einfachen Mitteln berechnen, da in dem verwendeten Register eine Teilung durch 4 einfach durch ein entsprechendes Verschieben des Registerwertes um 2 Stellen nach rechts erreicht werden kann (Binär-System).

Eine einfache Möglichkeit der Speicherung der Tabellenwerte läßt sich durch Verwendung der Merkmale nach Anspruch 6 errei­ chen. Dabei ist jeder Eingangsschwingung eines Zyklusses von Eingangsimpulsen einem Tabellenwert zugeordnet. Ändert also die Eingangsspannung ihre Flanke in einer bestimmten Richtung, so wird dies gleichzeitig zum Anlaß genommen, den zugehörigen Tabellenwert festzustellen. Der Tabellenwert gibt dann in Form eines Bruchs an, nach welchem Bruchteil einer Eingangsschwin­ gung gerechnet ab einer vorgegebenen Änderung dieser Ein­ gangsschwingung die Flanke der Ausgangsschwingung geändert werden muß. Die Erfindung läßt es aber auch zu, daß die Aus­ gangsfrequenz größer als die Eingangsfrequenz ist, etwa in dem einer Änderung der Eingangsfrequenz zwei Tabellenwerte zuge­ ordnet sind, die eine Anstiegsflanke und eine Abstiegsflanke der Ausgangsfrequenz entsprechen.

Bei einer hinreichend großen Frequenzübersetzung von der Ein­ gangsfrequenz zur Ausgangsfrequenz ist es denkbar, daß einer ganzen Reihe von Änderungen des Eingangssignals keine Änderun­ gen des Ausgangssignals entsprechen. Hier wäre dann an sich der Tabellenwert 0 einzutragen. In Weiterbildung der Erfindung läßt sich in diesem Falle zusätzlich Speicherplatz dadurch in der Tabelle einsparen, indem man diesen Änderungen des Ein­ gangssignals in der Tabelle keinem Wert zuordnet. Die ent­ sprechende Adressierung der Tabelle ist somit mit keinem Spei­ cherplatz belegt.

Eine weitere Vereinfachung bei hinreichend großer Frequenz­ übersetzung beim Eingangssignal zum Ausgangssignal läßt durch die Merkmalskombination nach Anspruch 7 erreichen. Dabei wer­ den die Bruchzahlen der Tabelle, die die Flankenwechsel des Ausgangssignals in beiden Richtungen auslösen immer nur je­ weils einer Anstiegsflanke des Eingangssignals oder nur dessen Abstiegsflanke zugeordnet.

Eine einfache Ausgestaltung für die Tabelle ergibt sich durch die Merkmalskombination nach Anspruch 8. Eine besonders ein­ fache Darstellung des zu bildenden Bruchs läßt sich durch die Merkmale nach Anspruch 9 erreichen, der insbesondere in Ver­ bindung mit den Merkmalen nach Anspruch 5 große Vorteile bringt.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Fre­ quenzwandler und

Fig. 2 Eingangssignal, Ausgangssignal und Hilfssignal des Wandlers nach Fig. 1 in zeitlicher Zuordnung zuein­ ander.

In Fig. 1 liegt ein Eingangssignal A an einem ersten Zähler 2 an. Dieses Signal entspricht in seiner Frequenz der Geschwin­ digkeit eines Fahrzeuges, kann also seine Frequenz stark än­ dern. Das in seiner Frequenz heruntergesetzte Ausgangssignal B liegt mit der Ausgangsfrequenz fa an einem zweiten Zähler 4 an das Verhältnis Eingangsfrequenz fe zur Ausgangsfrequenz fa soll konstant sein, wobei das Teilerverhältnis 3,45 betragen soll. An den ersten Zähler ist weiterhin ein Oszillator 1 an­ geschlossen welcher eine Hilfsfrequenz erzeugt, die erheblich über dem höchsten Wert der Eingangsfrequenz fe liegt. Der erste Zähler 2 zählt die Anzahl der Hilfsschwingungen C, die über den Eingang 10 zu ihm gelangen.

Die Zahl der Hilfsschwingungen C während einer Eingangsschwin­ gung von A ist ein Maß für die Länge der Eingangsschwingung und damit rezibrok zu fe. Der Zähler gibt weiterhin einen Zählpuls 11 an einen Pulszähler 5 ab, wenn er eine Anstiegs­ flanke des Eingangssignals A erhält. Innerhalb des sich wie­ derholenden Zyklus von Eingangsschwingungen liegt also im Pulszähler 5 immer eine Zahl vor, die der gerade vorhandenen Eingangsschwingung des Zyklus entspricht. Mit Hilfe der Puls­ zahl von dem Pulszähler 5 über eine Leitung 12, wird eine Ta­ belle 6 angesprochen, die aufgrund dieser Adressierung einen Tabellenwert zu Verfügung stellt. Dieser Tabellenwert gibt eine Bruchzahl an. Die Bruchzahl wiederum beschreibt den Bruchteil einer Eingangsschwingung, der abgewartet werden muß, bis ein Flankenwechsel in der einen oder anderen Richtung bei dem Ausgangssignal B auftreten soll.

Durch die Einlagerung eines Bruchs in der Tabelle 6 ist si­ chergestellt, daß unabhängig von der Frequenz fe das Teiler­ verhältnis fe zu fa gleich bleibt. Diese Bruchzahl wird von der Tabelle 6 einer Arithmetik 3 zur Verfügung gestellt. Der Arithmetik 3 wird gleichzeitig über eine Leitung 13 von dem Zähler 2 mitgeteilt, nach wieviel Hilfsschwingungen C augen­ blicklich eine Eingangsschwingung A ausmachen. Die Arithmetik ist somit in der Lage, aufgrund der für die Leitung 15 mitge­ teilten Bruchzahl der Tabelle 6 und der Anzahl der eine Ein­ gangsschwingung A ausmachenden Pulsschwingungen C zu berech­ nen, nach wieviel weiteren Hilfsschwingungen ein Flankenwech­ sel in der Ausgangsspannung B stattfinden soll. Diese Zahl wird über die Leitung 16 einem zweiten Zähler 4 mitgeteilt. Der zweite Zähler 4 kann somit durch die über die Leitung 14 bei ihm anlangenden Hilfsschwingungen C einen Zeitpunkt be­ stimmen, bei dem die Flanke des Ausgangssignals B wechselt. Die jeweilige Adresse, die vom Pulszähler 5 zur Tabelle 6 über die Leitung 12 gegeben wird sei mit x bezeichnet. Wenn eine Periode von Eingangsschwingungen zum Beispiel den Wert j = 69 hat, so ändert sich x von schrittweise 1 bis 69.

Wenn x = 69 ist wird gegebenenfalls durch ein Reset-Signal auf der Leitung 12 der Pulszähler auf den Wert 1 zurückgestellt. Danach können wiederum über den ersten Zähler 2 die einzelnen Tabellenwerte nacheinander angesprochen werden.

Fig. 2 zeigt die Arbeitsweise des Wandlers nach Fig. 1 in zeitlicher Abhängigkeit. Es sei angenommen, daß wie bereits oben schon erläutert eine Untersetzung von annähernd 3,4462 erreicht werden soll. Praktisch kann das bedeuten, daß die Eingangsimpulszahl von 17231 Impulsen je Kilometer auf einen Wert von 5000 Impulsen je Kilometer herabgesetzt werden soll.

Unter der Bedingung, daß eine geringfügige Abweichung ak­ zeptiert wird, läßt sich dieses Übersetzungsverhältnis durch den Bruch 69/20 darstellen, daß einem Teilerverhältnis von 3,45 entspricht. Anders ausgedrückt sollen bei 69 Eingangsimpulsen A 20 Ausgangsimpulse B auftreten. Die Periode der Eingangsim­ pulse beträgt somit 69.

Diese 69 Eingangsimpulse sind in Fig. 2 schematisch und aus­ zugsweise dargestellt. In Fig. 1 bezeichnet t1 bei dem Ein­ gangssignal A eine Impulsdauer. Dieser Impulsdauer entspricht einer Anzahl von Hilfsschwingungen, die mit T1 bezeichnet wer­ den sollen. Der erste Zähler 2 mißt also während der ersten Schwingung T1 Hilfsschwingungen, die einen Zeitraum t1 ausma­ chen. Dieser Wert steht zu Beginn der Aufstiegsflanke des zweiten Eingangsimpulses fest und es wird nun unter der Adres­ se 1 in der Tabelle 6 nachgesehen nach welchem Bruchteil von t1 die Abstiegsflanke des Ausgangssignals B kommen soll. Der dort eingeschriebene Wert beträgt 12/16.

Die Angabe des Bruchs mittels einer restlos durch 4 teilbaren Zahl bietet den Vorteil, daß die Quotientenbildung sehr ein­ fach möglich ist. Es wird nämlich nur der Nenner des Bruchs in ein Register eingeschoben und danach der Speicherinhalt des Registers um 4 Stellen verschoben. Nach 12/16 der Zeit t1 soll also die Abstiegsflanke des Ausgangssignals B auftreten.

Weiter oben wurde schon erläutert, daß die Schwingungszeit mit Hilfe der Hilfsschwingungen C abgezählt wird und zwar ab Be­ ginn der Aufstiegsflanke des zweiten Eingangsimpulses. Dies ist bei dem Schwingungszug D in der die Formung des Ausgangs­ signals B erläutert in Fig. 2 deutlich zu erkennen. Hinsicht­ lich des Ausgangssignals B ist der ab Anstiegsflanke des zwei­ ten Eingangsimpulses noch abzumessende Zeitraum Z1 als Dezi­ malzahl 0,725 dargestellt.

Da am Ende des zweiten Impulses, an dem wegen der sich mögli­ cherweise ändernden Eingangsfrequenz erneut eine geänderte Im­ pulsdauer (t2) gemessen wird, ergibt sich wiederum eine Anfra­ ge in der Tabelle 6. Die aber zeigt, daß während des nachfol­ genden dritten Impulses keine Flankenänderung stattfindet. Es läßt sich hierdurch Tabellenplatz sparen indem man der Adresse 2 keine Information zuordnet oder falls dies technisch einfa­ cher zu realisieren ist, der dieser Adresse zuzuordnende Wert 0 ist.

Im Ausführungsbeispiel ist die Impulsdauer der 69 zu einem Zyklus gehörenden Eingangsimpulse immer gleich groß darge­ stellt so daß t1 = t2 = t3 = . . . P69. Während des dritten Eingangs­ impulses wird wiederum die Zeit der Hilfsimpulse und damit die Impulsdauer t3 gemessen, die gleich t1 ist. Aus der am Ende von t3 gemachten Anfrage in der Tabelle ergibt sich, daß nach 5/16 der Dauer t3, gemessen ab Anfang des 4 Eingangsimpulses, eine neue Anstiegsflanke des Ausgangssignals B kommen soll. Auf diese Weise läßt sich aus den tabellarisch festgehaltenen Bruchzahlen die Ausgangsschwingung für jedes beliebige Teil­ erverhältnis ohne Schwierigkeiten bilden. Da die Rechnungen in der Arithmetik 6 mit Hilfe eines Prozessors durchgeführt wer­ den läßt sich die Taktfrequenz des Prozessors gleichzeitig auch als Hilfsschwingung C ausnutzen.

Die vorliegende Erfindung dient im wesentlichen zur Unterset­ zung von Impulszügen, sie kann aber auch für die Übersetzung verwendet werden, bei der die Ausgangsfrequenz fa größer ist als die Eingangsfrequenz fe. Dabei ist allerdings zu beachten, daß innerhalb eines Eingangspulses mehr als eine Flanke des Ausgangspulses liegen kann. Es müssen daher einem Eingangspuls zwei oder mehr Tabellenwerte in der Tabelle 6 zugeordnet wer­ den.

Es ist allerdings auch möglich, bei jedem Eingangssignal so­ wohl die aufsteigende als auch die absteigende Flanke zum Aus­ lösen jeweils eines Tabellennachschlags anzuwenden.

Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß die Abweichung der Ausgangsfrequenz fa von dem gewünschten Wert über einen größeren Zeitraum nur durch die Abweichung des Bruchs (der Eingangsimpulse gegenüber den Ausgangsimpulsen während eines Zyklus von dem gewünschten Teilerverhältnis) bedingt ist, sich also Verzögerungen in der Auslösung der einzelnen Ausgangsim­ pulse nicht zu einer Gesamtabweichung addieren.

Claims (9)

1. Wandler zum Umformen einer mit einer sich vorzugsweise ändernden Eingangsfrequenz (fe) versehenen Eingangssi­ gnals (A) in ein Ausgangssignal (B) mit einer gegenüber der Eingangsfrequenz (fe) um einen konstanten Faktor ge­ änderten Ausgangsfrequenz (fa), wobei der Faktor vorzugs­ weise kleiner als 1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (1) vorgesehen ist, der mit einer erheblich höher als die Eingangsfrequenz (fe) liegenden, im wesent­ lichen konstanten Hilfsfrequenz (fh) sendet, daß ein er­ ster Zähler (2) vorgesehen ist, der die während einer ganzen bzw. halben Periode des Eingangssignals (A) von dem Oszillator (1) gesendete Anzahl von Hilfsimpulsen (C) feststellt, daß eine Tabelle (6) vorgesehen ist, in der vorgegeben ist, nach welchem Bruchteil einer Eingangs­ schwingung (A), oder nach wievielen Hilfsschwingungen (fh), gerechnet ab einem vorgegebenen Schaltzustand des Eingangssignals (A) die Anstiegs- bzw. Abstiegsflanke des Ausgangssignals gebildet werden muß und daß ein Impuls­ former (3, 4) den Zeitpunkt der Flanke unter Berücksich­ tigung der Bruchzahl und/oder der Anzahl der Hilfsimpulse und dem des Zeitpunktes des vorgegebenen Schaltzustandes bestimmt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Tabelle (6) jeweils eine Bruchzahl gespeichert ist, mit welcher die Zahl der während einer Eingangsperiode getätigten Hilfsschwingungen (C) multipliziert werden müssen um die Zahl der Hilfsschwingungen (C) zu erhalten, die den Zeitpunkt der Änderung des Ausgangssignals (B) bestimmt.

3. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer (3, 4) die Bruchzahl aus der Tabelle (6) mit einer festgestellten Anzahl (T1) der Hilfsimpulse (C) multipliziert und nach dem Eintreten des vorgegebenen Schaltzustandes des Eingangssignals (A) die danach auftretenden Hilfsimpulse (C) abzählt und schließlich die Änderung des Schaltzustandes des Aus­ gangssignals (B) auslöst, sobald die Ergebniszahl aus der Multiplikation erreicht ist.

4. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der in der Tabelle (6) ge­ speicherten Einträge nur unwesentlich größer ist als das doppelte der Zahl des Zählers eines Bruchs, wobei der Zähler und Nenner des Bruchs die kleinsten ganzen Zahlen sind, deren aus diesen Zahlen gebildeter Quotient unter Berücksichtigung der zulässigen Toleranz den Verkleine­ rungs- bzw. Vergrößerungsfaktor der Ausgangsfrequenz er­ gibt.

5. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gespeicherte Faktor durch einen Quotienten aus zwei gan­ zen Zahlen gebildet ist, von denen der Nenner restlos durch 4 teilbar ist.

6. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabellenwerte einzelnen Eingangsschwingungen eines Zyklus von Eingangsschwingungen zugeordnet sind, wobei der Zy­ klus die durch den Zähler des Bruchs vorgegebene Anzahl von Eingangsschwingungen umfaßt.

7. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Tabelle (6) gespeicherten, die Anzahl der bis zur Umschaltung des Ausgangssignals noch abzuwartenden Hilfsschwingungen (C) bestimmenden Werte ausschließlich auf die Anstiegsflanken des Ein­ gangssignals bezogen werden.

8. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabelle (6) durch ein E-Prom ge­ bildet ist und die Hilfsfrequenz die Taktfrequenz eines Prozessors ist.

9. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Division durch den Nenner durch eine Verschiebung der in dem Register gespeicherten Zahl nach rechts gebildet wird.