SE447609B - Forfarande och anordning for metning av det tidsmessiga avstandet mellan tva elektriska signaler - Google Patents

Description

447 609 del i oscillatorsvängningen kan mätas, och med vilken periodmätningen börjar.

På liknande sätt kommer en det för uppmätning avsedda tidsrummet avslu- tande elektrisk signal inte bara att anslutas till stoppingången för styrkopplingen, som, som svar därpå, stoppar räknaren efter uppträdandet av den nästkommande för räkningen avsedd triggande delen utav oscillator- svängningen, utan även anslutas till en andra analog bearbetningskanal, med vars hjälp tidsavståndet mellan dessa signaler och den periodräk- ningen avslutande delen i oscillatorsvängningen kan mätas.

Härigenom genomföres en tidsmätning i tre delar, som först och främst alstrar tvâ analoga finmätvärden och ett digitalt grovmätvärde, som genom multiplikation utav räknarvärdet med det inverterade värdet, som erhålles som en noggrannt känd förutbestämd oscillatorfrekvens. Genom en förteckenriktig kombination utav dessa tre mätvärden erhåller man därvid ett gemensamt mätvärde, som vid lika räknefrekvens ger det sökta tidsav- ståndet med större noggrannhet än vad som kan erhållas vid en ren ned- räkning utav en uppträdande oscillatorsvängning.

Vidare är det tidigare känt, att vid dessa förfaranden använda en ana- logmätkoppling som så ständigt efterkalibreras, att man mellan de egent- liga tidsavstândsmätningarna tillför signaler med noggranna tidigare kända tidsavstând och med hjälp utav erhållet kalibreringsvärde kan man med hjälp av dessa eliminera långfristiga svängningar och driftsbenä- genheter.

REDOGURELSE FUR FURELIGGANDE UPPFINNING Det visar sig emellertid, att vid det praktiska utnyttjandet utav dessa förfaranden kommer den maximalt uppnåeliga noggrannheten att ligga med ett värde betydligt under det principiellt möjliga, vilket tyder på en ytterligare systematisk felkälla. 447 609 Det har konstaterats att denna systematiska felkälla är att söka däri, att normalt är det inte möjligt eller lämpligt låta de det uppmätta tidsrummet avgränsande signalerna matas omedelbart till styringângarna för den oscillatorsvängningar räknande räknaren resp. till de båda ana- loga bearbetningskanalerna innefattande mätkopplingarna. De måste istäl- let normalt först passera ett antal beräknings- och anslutningskopp- lingar och från var och en uppstår en viss signalfördröjning, så att den för varje signal, från ingången för mätkopplingen till den egentliga bearbetningspunkten, genomlöpande vägen ger en bestämd signalbearbet- ningstid.

Det enligt uppfinningen anvisade förfarandet baserar sig på den insikten att den ständigt för handen varande skillnaden såväl som olika sväng- ningar och driftsomständigheter eller -betingelser i dessa signalbear- betningstider inte skall försämra mätvärdet, åtminstone inte på ett noterbart sätt, när det ställs mycket höga krav på mätnoggrannheten.

Härvid anvisar föreliggande uppfinning ett förfarande i enlighet med ingressen till patentkravet 1 och som så vidareutvecklats, att genom undanröjandet utav inflytandet från de olika svängningarna och driftsbe- tingelserna för signalbearbetningstiderna i de båda analoga bearbet- ningskanalerna så kan mätvärdesnoggrannheten för mätvärdet ytterligare höjas.

För lösningen utav denna uppgift anvisar uppfinningen i första hand de i patentkravet 1 angivna egenskaperna.

I enlighet härmed anvisas, för att undanröja från skillnaderna i såväl de olika svängningarna som driftsbetingelserna i signalbearbetningsti- derna i de båda analoga bearbetningskanalerna härrörande mätfel, en tidsavstândsmätning i tre delar, där samma signal samtidigt anslutes till start- och stoppingângarna för en styrkopplingen tillhörande räk- nare för grovmätvärdet och till ingângarna för de båda bearbetningska- nalerna. Är skillnaden i signallöptiderna mellan ingångarna i styrkopp- lingen och räknaren mindre än längden för en oscillatorperiod så 447 609 erhålles vid denna korrektionsvärdesmätning ett grovmätvärde lika med "O". I detta fall kan denna skillnad inte påverka det egentligt intres- santa mätvärdet. Är skillnaden större, sä erhålles en mot felet i ett tidigare erhållet tidsavstånds~grovmätvärde svarande korrektions-grov- mätvärde.

Vidare mäter var och en av de båda analoga bearbetningskanalerna tiden, som löper mellan påverkan av mätkopplingen till den nästkommande tids- signifikativa delen i oscillatorsvängningen. Differensen mellan dessa båda finmätvärden motsvarar exakt löptidsskillnaden, som föreligger i de båda bearbetningskanalerna, så att man därigenom erhåller ett i tre delar bestående korrektionsvärde, som på liknande sätt, som det tidigare erhållna gemensamma mätvärdet, består utav tre enskilda mätvärden (ett korrektions-grovmätvärde och tvâ korrektions-finmätvärden) och återger löptids- resp. signalbearbetningstidsskillnader mellan de olika signal- vägarna.

Det är nu möjligt, efter genomförandet utav en tidsavståndsmätning, att först och främst genom förteckenriktig kombination utav motsvarande grov- och finmätvärdena bilda ett okorrigerat gemensamt värde, att ge- nomföra en korrektionsvärdesmätning, från vilken de därvid erhållna grov- och finmätvärdena bildar ett gemensamt korrektionsmätvärde, genom vars förteckenriktiga kombination med det okorrigerade gemensamma värdet erhålles ett korrigerat gemensamt mätvärde.

Fördelaktigare är det emellertid att i första hand inte kombinera de tre icke korrigerade delmätvärdena för tidsavståndsmätningen med varandra utan istället lagra dessa enskilt, för att därefter genomföra en korrek- tionsvärdesmätning, som skall kombineras, med de därvid erhållna grov- och finmätvärdena för de enskilda förteckenriktiga med de tillhörande delmätvärdena för den för handen varande, tidsavständsmätningen och från de så erhållna korrigerade grov- och finmätvärdena samansätta det kor- rigerade gemensamma mätvärdet. 447 609 I dessa fall erhåller man ett korrigerat gemensamt mätvärde, som väsent- ligen noggrannare återger det egentligen intressanta tidsavstândet.

Uppfinningsmässigt måste alstringen utav korrektionsmätvärdet genomföras med en sådan noggrannhet, att uppträdande ändringar i signalbearbet- ningstiden utvärderas tidsenligt riktigt. Vid långsamma svängningar kan alltså ett eller flera korrektionsmätvärden för flera tidigare (eller kort därefter) vunna tidsavståndsmätvärden användas. Även vid mycket snabba ändringar är det möjligt att, för varje enskild i tre delar be- stående tidsavstândsmätning, så hastighet genomföra en korrektionsvär- desmätning, att en exakt felbestämning ombesörjes.

En speciellt fördel med det enligt uppfinningen anvisade förfarandet är att betrakta i det att på grund av sin användning är det inte mera nöd- vändigt att vidtaga åtgärder för en speciell uppbyggnad av de enskilda signalbearbetningsvägarna, tillika med en noggrann utvärdering utav utnyttjade byggelement för att därigenom i möjligaste mån få identiska signallöptider. Istället för detta är det möjligt, överallt där det av andra konstruktiva eller bearbetningstekniska skäl är nödvändigt att nyttja fördröjningskopplingar eller byggelement med olika signalbearbet- ningstider, att insätta dessa, då alla därav resulterande löptidsskill- nader ständigt utvärderas och då dessas inflytande på mätvärdet elimi- flEYäS.

En fördelaktig vidareutveckling utav det uppfinningsmässiga förfarandet såväl som anordningen för dess genomförande anges i de efterföljande underkraven 2 - 10 resp. 12 - 13.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det efterföljande att närmare beskrivas med hän- visning till ett utföringsexempel, illustrerat i bifogad ritning, där; figur 1-4 visar kopplingsschemat över en enligt uppfinningen anvisad tidmätningsanordning och figur 5 visar ett diagram över mätprincipen. 447 609 BESKRIVNING ÖVER NU FURESLÅGEN UTFURINGSFORM Innan mätkopplingen beskrivs i detalj skall en sammanfattande överblick ges över det till uppfinningen hänförliga förfarandet.

Den i inledningen framförda uppgiften löses principiellt så att, enligt den i figur 5 framställda principen för mätning av tidsskillnaden mellan framkanten på en fyrkantformad startsignal (t.ex. en TTL-signal) och framkanten på en likaså fyrkantformad stoppsignal (exempelvis en TTL-signal), tre tidmätningar för utrönande av tidsskillnaderna tA, n x TQ och tE automatisk genomförs med hjälp av den fyrkantformade utgångs- signalen (exempelvis en TTL-signal) från en frisvängande kvartsoscilla- tor, d.v.s. som en tredelad realtidsmätning.

Om man använder en frisvängande kvartsoscillator med en frekvens av exempelvis 20 MHz, uppgår de tidsskillnader tA och tE som skall mätas till maximalt 60 ns. En tidsupplösning av 25 ps skulle alltså i det anförda exemplet endast fordra en dynamik av 1:2000 för de båda tid- mätkopplingarna för uppmätning av tidsskillnaderna tA och tE. Mätningen av den i det närmaste godtyckligt stora tidsskillnaden (n x TQ) behöver man nu bara utföra som en s.k. grovmätning, genom att man som ytterst noggrann tidsbas utnyttjar periodlängden T hos den frisvängande kvarts- oscillatorn och medelst en räknare räknar antalet (n) framkanter från framkanten A0 till framkanten An hos utgångssignalen från kvartsoscil- latorn.

När man nu lagrat resultaten av mätningen av tidsskillnaderna tA och tE behöver man endast genom addition och subtraktion bilda uttrycket za t = tA +~n x TQ - tE för att få ett tämligen noggrannt första mätvärde 4 t för den önskade tidsskillnaden mellan framkanten för startsignalen och framkanten för stoppsignalen.

Mätningen av tidsskillnaderna tA och tE utförs enligt uppfinningens förfarande medelst en tvâkanalig mätkoppling, genom att tA i startkana- len I tas fram medelst en tid-amplitud-omvandlar-koppling TAC-A(10a) och tE i stoppkanalen II medelst den nära nog identiska 447 609 tid-amplitud~omvandlar-kopplingen TAC-E (lla). Eftersom även helt iden- tiskt uppbyggda start- och stoppkanaler åldras och driver olika i avse- ende pà sina egenfördröjningstiden, måste det erhållna första mätvärdet t korrigeras i fråga om nollägena hos start- och stoppkanalerna, alltså ned det värde som erhålles om man inifrån genom en styranordning och noll/eller-kretsarna (18) och (19) samtidigt genererar en start- och en stoppsignal. De för mätning av tA och tE använda tid-amplitud-omvand- lar-kretsarna (10a) och (lla) omvandlar den tid som skall mätas till en analog spänning. Omvandlingsfaktorerna förändras beroende pá åldringen och temperaturberoendet hos komponenterna i kretsarna (10a) och (lla).

För att man skall få en tillförlitlig och noggrann tidmätning måste alltså den ovan beskrivna mätcykeln följas av en referenscykel, under vilken kretsarna (10a) och (lla) tillföres kristallnoggrannt förskjutna start- och stoppsignaler från en krets för generering av kristallnoggran- na start-stopp-tidsskillnader (21) och mätresultatet digitaliseras och jämförs med nominalvärdet i en mikrodator eller mikroprocessor och genom division av det förhanden varande mätvärdet med det mot periodlängden T hos kristalloscillatorfrekvensen svarande digitala nominalvärdet ger de gällande digitala korrektionsfaktorerna SA och SE för tid-amplitud-om- vandlar-kretsarnas (10a) och (lla) omsättningsfaktorer som används för korrigering av den i den nyss genomförda eller närmast följande mät- cykeln erhållna digitala tidsskillnaden tAD respektive tED.

En ytterst noggrann och tillförlitlig tidmätningsanordning måste alltså när allt kommer omkring vara självrefererande och självkorrigerande på grund av olika åldring och olika temperaturberoende hos de ingående kom- ponenterna.

Av denna anledning startar framkanen hos den utifrån kommande startsig- nalen inte bara den egentliga, ovan beskrivna, tredelade realtidsmät- ningen, utan också förloppstyrningen (20), vilken definierar åtta auto- matiskt på varandra följande tidsavsnitt Ql till Q8 i och för genomfö- rande av en fullständig mät- och referenscykel. 447 609 Framkanten hos en utifrån komande startsignal, som inkommer till star- tingången i en såsom utföringsexempel beskriven anordning enligt upp- finningen, till exempel en TTL-signal, utlöser det förlopp som här skall i detalj beskrivas. Framkanten hos startsignalen startar i startkanal I, vilken är bildad av kopplingselementen 18, 37, 22, 35, 24, 10a till 10j, 12 och 14, den första med index M betecknade realtidsmätningen i mät- cykeln, närmare bestämt mätningen av tidsskillnaden tAM mellan framkan- ten hos startsignalen och den närmast därpå följande framkanten (A0) hos utsignalen från den frisvängande kvartskristalloscillatorn (16). Därtill sätts över eller-kretsen (18) startvippan (37) i startkanalen I och avblockeringsvippan (39) i stoppkanalen II. Insättningen av startvippan (37) möjliggör användningen av närmast godtyckligt breda fyrkantformade startsignaler. Användningen av stoppaktiveringsvippan (39) tillåter genom grindarna (40) och (41) principiellt att en stoppsignal får effekt bara om det tidigare har kommit in en startsignal. - Vippan (37) startar nu över eller-kretsen (22) i startkanalen I tid-amplitud-omvandlaren TAC-A (10a) och förbereder dataingàngen D i räknaraktiverings-synk-A- vippan (35), så att nästa framkant (A0) i utgângssignalen från den fri- svängande kvartsoscillatorn (16) ställer vippan (35) och därmed stoppas via eller-kretsen (24) och fördröjningskretsen (10b) tid-amplitud-om- vandlar-kretsen (10a). Den ställda vippan (35) avblockerar dessutom upp/ned-räknaren (17), som vid återställd förloppsstyrningskrets (20) är inställd för uppräkning, så att det efter mätningen av tAM utan avbrott sker en mätning av nm x TQ, alltså en räkning av de efter framkanten (A0) ända fram till framkanten (An) kommande framkanterna hos utgångs- signalen från kvartsoscillatorn (16).

Under tiden har framkanten hos startsignalen triggat den monostabila multivibratorn (30), den sedan inkopplingen av mätkopplingen på ett eller annat sätt ställd förloppsstyrningskretsen (20) har återställts över eller-1-kretsen (31) och kretsen (21) för generering av kristall- noggranna start-stopp-tidsskillnader har återställt över eller-2-kret- sen, och bakkanten hos den av (30) genererade impulsen har via inverte- raren -1 (32) och synk-och-1-kretsen (33) ställt in förloppsstyrningen (20) på Q1. Därmed är styrledningen över grinden (109) och (10f) 447 609 frikopplad och den från den monostabila multivibratorn (10c) kommande och genom framkanten (A0) respektive ställandet av vippan (35) skapade pulsen kopplar in analogminnet (exempelvis ett Sampel-and-Hold element) S/H-AM (10d) för lagring av det från tid-amplitud-omvandlare-kretsen (10a) kommande tidsproportionella analoga spänningsvärdet UM = UV - a X tAM, varvid UV betecknar matningsspänningen och "a" den analoga omvandlingsfaktorn hos TAC-A-kretsen (10a). I och med detta är mätningen och lagringen av tidsskillnaden (tAM) avslutad.

Vid något tillfälle inkommer nu en fyrkantformad stoppsignal (t.ex. en TTL-signal) till stoppingången i den här förutsatta och mot uppfin- ningens förfarande svarande mätkopplingen. Föreligger vid denna tidpunkt också den utifrån kommande tidsluckesignalen, så kommer framkanten hos stoppsignalen i stoppkanalen II, som är bildad av kretsarna 19, 42, 41, 40, 39, 38, 23, 36, 25, 11a till 11j, 13, 15, över eller-kretsen (19), fördröjningskretsen (42) och den av tidsluckesignalen ställda och-1-kret- sen (41) fram till synkroniseringsingången hos stoppvippan (38) och ställer denna. - Liksom startvippan (37) i startkanalen I möjliggör nu också stoppvippan (38) behandling av nära nog godtyckligt breda fyrkant- formade stoppsignaler. Sättandet av stoppvippan (38) startar över eller- kretsen (23) tid-amplitud-omvandlar-kretsen (lla) respektive mätningen av tidsskillnaden (tEM) mellan framkanten hos den utifrån kommande stopp- signalen och den därpå följande framkanten (An) hos utgångssignalen från den frisvängande kvartsoscillatorn (16). Framkanten (An) ställer nu räknaravblockerings-synk-E-vippan (26), vars utgång (Q) över eller-kret- sen (25) och fördröjningskretsen (llb) stoppar tid-amplitud-omvandlar- kretsen (lla) och triggar den monostabila multivibratorn (11c). Därmed stoppar framkanten (An) hos utgångssignalen från den frisvängande kvarts- oscillatorn (16) inte bara mätningen av tidsskillnaden (tEM), utan blocke- rar också via vippan (36) upp/ned-räknaren (17) och räkningen fram till och med framkanten (An), alltså mätningen av tidsskillnaden (nM x TQ), är därmed också avslutad. Den från utgången (Q) hos S/H-Mono-E (llc) nu kommande pulsen går över grindarna (119) och (11f), vilka är frikopplade över den i läge Q1 inställda förloppsstyrningskretsen till styringången hos analogminnet S/H-EM (11d) och gör liksom vid tidsškillnadsmätningen 447 609 tAM i startkanalen I att det tidproportionella analoga spänningsvärdet UM = UV ->e x tEM lagras. Dessutom återställer den från utgången (Q) hos S/H-mono-E kommande och av inverteraren (46) inverterade pulsen vipporna (37), (38) och (39), varigenom start- och stoppkanalerna görs beredda för mottagning av nya, över noll/eller-kretsarna (18) och (19) inkom- mande start- och stoppsignaler. Bakkanten hos denna inverterade puls stegar nu över takt-och-1-kretsen (33) fram förloppsstyrningen (20) till (Q2), såvida inte kontrollvippan (29) är ställd. 1 och med detta är tidsavsnittet (Q1) för genomförande av den första tredelade, med index M betecknade realtidsmätningen liksom lagringen av de tidsproportionella analoga spänningsvärdena i analogminnena (10d) och (lld) avslutade och tidsavsnitt (Q2) börjar. Om däremot kontrollvippan (29) har ställt, via mätkopplingsingângen (Komp.), t.ex. på grund av att den genom kurvform- ning uppkomna fyrkantformade start- och/eller stoppsignalen har avletts antingen av den analoga utsignalen hos en överstyrd förstärkare eller av en starkt störd analogsignal och kopplat in en komparator för övervak- ning av spänningshöjden, så förblir förloppsstyrningen äterställd också efter âterställning av vippan (29), och mätkretsen väntar på nästa ut- ifrån kommande start- och stoppsignaler.

Med framstegning av förloppsstyrningskretsen (20) till (Q2) börjar också tidsavsnittet (Q2), under vilket nollägena hos start- och stoppkanalerna tas fram som vid tidsavsnitt (Q1) medelst en principiellt lika, tredelad och nu med index N betecknad realtidsmätning, i det att framkamten går från (Q2) genom fördröjningskretsen (43) och över noll/eller-kretsarna (18) och (19) samtidigt genereras en start- och en stoppsignal. Därefter fortsätter allt som i tidsavsnitt (Q1) med enda undantaget att de till tidsproportionella analoga spänningar (UV - a x tAN) respektive (UV - e x tEN) genom tid-amplitud-omvandlar-kretsen (10a) och (lla) omvandlade tidsskillnaderna (tAN) respektive (tEN) lagras i analogminnena (10e) och (lle) samt att upp/ned-räknaren (17) via den på (Q2) inställda förlopps- styrningen (20) är ställd på nedräkning. Den av den monostabila multivi- bratorn (llc) bildande pulsen återställer återigen vipporna (37), (38) och (39) och stegar via och-1-kretsen (33) fram förloppstyrningen (20) "till (Q3), varvid mätcykeln avslutas och analogminnena (10d) och (10e) 447 609 11 respektive (lld) och (lle) innehåller nu de tidsproportionella analoga spänníngsvärdena (UV - a X t AM) och (UV - a x tAN) respektive (UV - e x- tEM) och (UV - e x tEN). Analogutgângen hos minnet (10e) är förbunden med den positiva ingången och analogutgângen hos minnet (10d) med den negativa ingången hos en differensförstärkare (12). Utgången hos (12) lämnar alltså spänningsskillnaden (UAM - UAN) = (UV - a x tAN) - (UV - a x tAM) = a x (tAM - tAN) = a x ¿$tA, det vill säga med en analoga om- vandlingsfaktorn (a) hos tid-amplitud-omvandlar-kretsen (10a) multipli- cerad med tidsskillnaden 43 tA. I stoppkanalen II är analogutgângarna hos minnena (lle) och (lld), på det för startkanalen I just beskrivna sättet, förbundna med de positiva och negativa ingângarna hos differens- förstärkaren (13), vars utgång nu ger spänningsskillnaden (UEM - UEN) = (UV - e x tEN) - (UV - e x tEM) = e x (tEM - tEN) = e x ¿L tE, det vill säga den med den analoga omvandlingsfaktorn (e) hos tid-amplitud-omvand- lar-kretsen (lla) multiplicerad med tidsskillnaden Al tE. Dessutom upp- går vid slutet av tidsavsnitt (Q2) räknarvärdet hos UPP/nedräknaren (17) till (nM - nN), vilket motsvarar en tidsskillnad av (nM - nN) x TQ, varvid (TQ) betecknar den ytterst-noggranna periodlängden för frekvensen hos den frisvängande och räknaren (17) stegande kvartsoscillatorn. Vid mätning av små start-stopp-tidsskillnader eller vid framtagning av nollä- gena mellan start- och stoppkanalerna kommer man oftare att fâ den sig- nalkonstallationen, att den på startsignalens framkant följande fram- kanten (AO) hos utsignalen från den frisvängande kvartsoscillatorn (16) följer först efter en redan inträffad stoppsignal. I detta fall blir räknare (17) över huvud taget inte framstegad under de i tídsavsnittet (Q1) och (Q2) löpande och med index M och N betecknade realtidsmät- ningarna räknarvärdet hos (17) förblir noll (nM = 0 respektive nN = 0).

I och med framstegningen av förloppsstyrningen (20) till läge (Q3) bör- jar nu också tidsavsnittet (Q3) och därmed digitaliseringen av den tids- proportionella analoga spänningsskillnaden (UAM - UAN) = a x ¿>tA re- spektive (UEM - UEN) = e x ¿stE och vidarebearbetningen av dess digital- värden liksom av räknartillstândet (nM - nN) medelst en mikroprocessor (26). I och med framstegningen av förloppstyrningsenheten till läge (Q3) "'erhâlles följande förlopp: 447 609 12 Q3-signalen går via eller-3-kretsen (48) till analog-digital-omvandlarna (14) och (15), vilkas analogingångar är förbunda med analogutgångarna hos differensförstärkaren (12) och (13) och startar över A/D-omvandlar- ingångarna_St,art-W omvandlingen av de analoga spänningsskillnaderna (UAM - UAN) = a x A tA och (UEM - UEN) = e xAtE till motsvarande digitalvär- den A tAD och A tED. Samtidigt åstadkommer Q3-signalen via avbrytnings- anordningen (27) ett programavbrott i mikroprocessorn (26) och mikropro- cessorn (26) adresserar via läs-och-Z-kretsen (54) datautgångsbufferten för räknaren (17) och läser de data Ql - Qm som representerar räknartill- ståndet (nM - nN). Under tiden har A/Dmmvandlingarna avslutats och A/D-omvandlarutgångarna, som betecknats med "wandlg. beendet", får via Int-Z-och-kretsen (51), Int-3-och-kretsen (49) samt avbrytningsanord- ningen (27) mikroprocessorn (26) att läsa de data Ql till Qn som är lagrade i A/D-omvandlarna (14) respektive (15) datautgångsbuffertminnen och som anger digitalvärden AtAD respektive AtED. Därtill adresseras datautgångsbuffertarna över grindarna, läs-och-A-kretsen (55) respektive läs-och-E-kretsen (53) och A/D-omvandlaringångarna “Ausg-Buffer-Enabl." av mikroprocessorn (26). Om nu de i mikroprocessorn stående resp. dess _ minne lagrade digitalvärdena A tAD, AtED och (nM - nN) omedelbart skall vidarebearbetas och visas på indikatorenheten (28) såsom det korrigerade och skal erade respektive kalibrerade digitala tidmätvärdetA-tmrian = SA x AtAD + SQ x (nM - nN) - SE x AtED, eller om detta skall ske senare under tidsavsnittet 27 under vilket skal- och kalibreringsfaktorerna SA och SE för den just pågående mät- och referenscykeln än dock tas fram är beroende på hur uppgiften formulerats och därmed av det i mikroproces- sorn inlagrade programet. Om man snarast möjligt efter att det utifrån har inkonmit en start- och stoppsignal behöver ett kalibrerat och mot start-stopp-tidsskillnaden svarande digitalt mätvärdet øtKorrun, måste de i föregående mät- och referenscykeln erhållna digitala skal- och kalibreringsfaktorerna SA respektive SE användas för den just pågående mätcykeln, närmare bestämt för multiplikationerna SA x AtAD och SE xp tED. Om alltså det digitala mätvärdetAtKOrhD har av mikroprocessorn (26) inskrivits i indikatorenhetens (28) dataingångsbuffertminne (D1 till Dp) via och-kretsen (58), så stegar i anslutning härtill mikropro- cessorn* (26) fram förloppsstyrningskretsen (20) -till läge Q4 över takt- 447 609 13 och-2-kretsen (56), eiier-kretsen (44) och den monostabiia muïtivibra- torn (45). Därmed börjar tidsavsnittet Q4 och referenscykeln.

Q4-signalen återstäiier upp/ned-räknaren (17) för nästa mätcykei, fri- koppïar grindarna (10h) och (10j) respektive (llh) och (llj) för styr- ning av anaïogminnena (10e) respektive (Ile) och utïöser via ingången "Eich-1" i kretsen för generering av kristalinoggrann start-stopp-tids- skiiïnader (21) samtidigt en referensstart- och en referensstoppsignai, viïka tiliförs såväl start-eïler-kretsen (22) och stopp-eïïer-kretsen (24) i stoppsignaïen I som start-e11er-kretsen (23) och stopp-e11er- kretsen (25) i stoppkanaien II. Det vid utgången från tid-amp1itud-om- vandïarkretsen (10a) resp. (11a) erhåilna tidsproportioneïïa anaioga spänningsvärdet (UV - a x tEíchN) resp. (UV - e x tEichN) anger noiïä- gena för ingången i start-eiier-kretsen (22) och ingången i stopp-e1- ier~kretsen (24) i startkanaien respektive noiiägena för ingången i start-eïïer-kretsen (23) och ingången i stopp-e11er-kretsen (25) i stopp- kanaïen och värdena Iagras i anaiogminnena (10e) och (Ile). Bakkanten hos den av den monostabiia muïtivibratorn (11c) genererade puisen stegar fram förïoppstyrningskretsen (20) via takt-och-1-kretsen (33) tiïï ïäge Q5 och därmed börjar tidsavsnitt Q5 och, âterstälis via e11er2-kretsen (34) kretsen (21). över synk-eïier-kretsen (44), stegar den monostabiia muïtivibratorn (45) och synk-och-kretsen (33) nu förïoppsstyrningskret- sen (20) vidare till Q6 och tidsavsnitt Q6 börjar.

Q6-signaien inieder över "Eich-2"-ingången i kretsen (21) det andra referensavsnittet och frikoppiar styrgrindarna (10f) och (109) respek- tive (11g) och (llf) för anaiogminnena (l0d) resp. (lld). Kretsen (21) för generering av kristalïnoggranna start-stopp-tidsski1lnader ger där- pâ, korreïerat med utgångssignalen från den frisvängande kvartsosciiïa- torn (16), en referens-start och en referens-stoppsignal på samma start-e11er- och stopp-eiier-ingångar som vid det under Q4 genomförda första referenssteget, varvid denna gång framkanten hos referens-stopp- signaien genereras kristallnoggrannt tidsförskjuten med en periodlängd (TQ) gentemot*framkanten hos referens-start-signaien. Efter mätning av denna kristaiïnoggranna tidsskiiïnad medelst tid-ampiitud-omvandiar-kretsarna 447 609 14 (10a) och (lla) och lagring av mätvärdena i form av de analoga spän- ningsvärdena (UV - a x tEíchN) respektive (UV - e x tEiChM) erhåller man över differensförstärkarna (12) och (13) de tidproportionella spännings- skillnaderna (UEictbAM) - UEiCh_AN) = a xAtEichA) respektive (UEíckPEM - UE¿Ch_EN) = e x ¿LtE¿chE. Dessa spänningsvärden representerar det med de förhanden varande nollägena hos start- stoppingângarna (hos start-el- ler-kretsen (22) resp. (23) och stopp-eller-kretsen (24) resp. (25)) minskande och mot den förhanden varande tid-spännings-omvandlingsfaktorn "a" respektive "e" svarande är-värdet. Bakkanten hos den av (llc) gene- rerade pulsen avslutar tidsavsnittet 26 och ställer förloppstyrningen (20) i läget Q7, och därmed börjar tidsavsnitt (Q7).

Tidsavsnittet 07 är till för digitaliseringen av är-värdena, jämförelsen mellan bör- och är-värdena samt framtagningen av de därur utvunna digi- tala skal- och kalibreringsfaktorerna SA och SE. Därtill omvandlas, på sätt som redan beskrivits i fråga om tidsavsnitt (Q3), de tidproportio- nella spänningsskillnaderna (UEich_AM - UE¿ch_AN) respektive (UEich_EM - UEich_EN) genom de av eller-3-kretsen startade analog-digital-omvandlar- na (14) och (15) till motsvarande digitalvärdenAtü-CIVAD och AtET-dk ED. Efter avslutad omvandling tas värdena via grindarna Int-4 - och (52) respektive Int-5-och (50) samt avbrytningsanordningen (27) om hand av mikroprocessorn för vidare bearbetning. Vid den följande bör-är-vär- desjämförelsen divideras de digitala är-värdena ¿xtEich_AD respektivels tEích_ED med det mot periodlängden TQ hos kristallfrekvensen svarande och i mikroprocessorn lagrade digitala bör-värdet SQ. Kvoterna represen- terar nu de nya digitala skal- och kalibreringsfaktorerna SA och SE, med vilka de vid mätcykeln (tidsavsnitten Q1 och Q2) erhållna tidsproportio- nella digitalvärdena AtAD ochAtED måste multipliceras för att kunna få de digitala tidsmätvärdena øtKorïmo, alltså (SA x tAD + (nM - nN) x SQ - SE x tED), skall kunna bildas och indikeras. Vid slutet av tidsav- snittet (Q7) stegar mikroprocessorn (26) via och-3-kretsen (57) och kretsarna (44), (45) och (33) fram förloppsstyrningen till läge 08 och Q8-signalen återställer via eller-1-kretsen (31) förloppsstyrningen (20) och nästa mätning av tidsskillnaden mellan framkanten hos en utifrån 447 609 kommande startsignal och framkanten hos en likaledes utifrån kommande stoppsignal kan sätta ingång.

Om referenscykeln och framtagningen av skal- respektive kalibrerings- faktorerna SA och SE görs efter varje mätcykeln beror huvudsakligen på temperatur- och strömningsförhâllandena i mätmiljön.Insatsen av en mik- roprocessor (26) möjliggör i varje fall genom det inladdade programmet en optimal anpassning till mätnoggrannhet och/eller mäthastighet.

Beträffande fördröjningskretsarna (10b) och (llb) i start- resp. stopp- kanalerna bör också sägas att dessa är inkopplad före stoppingångarna hos tid-amplitud-omvandlarkretsarna (10a) och (lla) för att tid-amp- litud-omvandlarna (I0a) och (lla) alltid skall kunna arbeta inom det raka området av sina krakteristikor.

Det här beskrivna exemplet på en anordning enligt uppfinningen visar kretslösningar som valts med avsikt att möjliggöra snabbaste möjliga framtagning av ett noggrannt och digitalt mätvärde för tidsskillnaden mellan framkanterna hos de utifrân kommande stant- och stoppsignalerna, d.v.s. snabbaste möjliga uppmätning av digitalvärdet.AtK0rr_D = SA x tAD + (nM - nN) x SQ - SE x AtED. Om det mellan två på varandra föl- jande start-stopp-signalpar står tillräckligt med tid till förfogande för bearbetningen av mätsignalen, kan man med bibehållande av den i uppfinningen angivna mätprincipen reducera antalet av de för mätsignal- bearbetningen av i utföringsexemplet nödvändiga kretselementen, såsom antalet analogminnen, differensförstärkare och analog-digital-omvand- lare, och därmed blir också platsbehovet, strömförbrukningen och kompo- nentkostnaderna för en tidmätanordning enligt uppfinningen mindre. Bero~ ende på om mer eller mindre tid kan tillåtas är ytterligare tvâ kretsva- rianter för mätsignalbearbetningen möjliga. Dessa skall här i korthet beskrivas.

Den första varianten innehåller i stället för de fyra analogminnena (10d, 10e, lld, lle) enbart de båda analogminnena (10d) och (lld) och behöver inte längre differensförstärkarna (12) och (13) eller 447 609 16 styrgrindarna (1Df till 10j) respektive (11f till 11j). Dessutom är i detta fall inte Q-utgången hos den monostabila multivibratorn (llc) längre förbunden med stegnings-och-1-kretsen (33) över inverteraren (46), utan med ingångarna betecknade "Start-N" hos analog-digital-om- vandlarna (14) och (15). Varje gång när de tidproportionella analoga spänningsvärdena lagras framtagen under mät- och kalibreringscyklarna alltså det motsvarande digitalvärdet som övertas av mikrodatorn (26).

Bildandet av de tidsproportionella analoga spänningsskillnaderna (UAM - UAN) respektive (UEM - UEN) medelst differensförstärkarna (12) respek- tive (13) görs nu med mikrodatorn respektive mikroprocessorn (26). Det i datorn inlagrade programmet, liksom kopplingen av avbrytningsanordningen (27) med tillhörande och-grindar (49,50,51,52) måste endast förändras.

Förloppsstyrningen (20) kan nu alltid stegas fram av datorn (26) över grindarna (56) eller (57).

Den andra varianten innehåller visserligen ännu de båda analogminnena (l0d) och (lld), men endast en av de båda analog-digital-omvandlarna, alltså antingen kretsen (14) eller kretsen (15). Denna anordning möjlig- gör en ytterligare sänkning av strömbehovet och komponentkostnaderna.

Härtill kommer endast tvâ analogkretsar med tillhörande styrlogik för ömsesidig förbindning av de båda analogutgångarna hos minnena (10d) och (lld) med analogingângen hos den enda analog-digital-omvandlaren. Natur- ligtvis måste också här program- avbrottsstrukturen anpassas i motsva- rande män.

Sammanfattningsvis kan följande fastslås om de tre beskrivna kretsver- sionerna för mätsignalbearbetningen.

Den utförligt beskrivna versionen av utföringsexempel (fig. 1 - 4) möj- liggör den snabbast möjliga framtagningen av det digitala mätvärdet 1; tK0rr_D efter det att de båda tillhörande start- och stoppsignalerna inkommit. Antalet bearbetningsbara start-stoppsignalpar per tidsenhet är alltså störst i detta fall. Därför är också denna variant mest kompo- nent- och kostnadskrävande, liksom utrymmes- och strömbehovet är störst i detta fall. 447 609 17 Den första varianten är kostnads-, utrymmes- och strömbesparande, men medger bearbetning av ett något mindre antal start-stopp-signaipar.

Den.andra varianten kräver minsta utrymmet, minst ström och är dessutom biïïigast, men den medger också det minsta anta1et av bearbetningsbara start-stoppsignaïer.

För framtagning av det digitaïa mätvärdet A.t kan också en mikro- Korr.D dator e11er godtyckïigt stor dator sättas in i stäïïet för mikrodatorn respektive mikroprocessorn (26). Man mäste bara anpassa datorstyrningen i motsvarande mån.

Claims (13)

447 609 PATENTKRAV

1. Förfarande för mätning av det tidsmässiga avståndet mellan två elek- triska signaler, där den tidsmässigt tidigare av de båda signalerna tillföres en startingång och den tidsmässigt senare tillföres en stopp- ingång tilldelade en styrkoppling (35,36) för en räknare (17), som för utvärdering av ett grovmätvärde startar resp. stoppar nedräkningen av perioder alstrade av en fritt svängande oscillator (16), vid vilken därjämte, för utvärdering av två finmätvärden, de båda signalerna till- föres var sin egen bearbetningskanal (10,l1), i vilken, genom en analog- mätning, det tidsmässiga avståndet mellan signalen och tillhörande sig- naldel hos oscillatorsvängningen bestämmes, med vilken periodräkningen börjar resp. slutar och vid vilken grovmätvärdet och de båda finmätvär- derna kombineras förteckenriktigt till ett gemensamt eller slutligt mätvärde, k ä n n e t e c k n a t därav, att för genomförande av en korrektionsvärdesmätning alstras (21) en signal, som samtidigt tillföres såväl start- och stoppingångarna för styrkopplingen (35,36) som de båda bearbetningskanalerna (10,l1) och att med hjälp av sålunda erhållna grov- och finmätvärden elimineras de vid grov- och finmätvärdena under tidsavståndsmätningen erhållna signalbearbetningstiderna.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att i var och en av bearbetningskanalerna (lO,11) lagras det vid en tidsavståndsmätning erhållna finmätvärdet i analog form, åtminstone så länge att ett vid en omedelbart därefter följande korrektionsvärdesmät- ning utfallande, och tillhörigt finmätvärdet föreligger i analog form och att det genom en differensbildning av dessa båda analogvärden vunna korrigerade finmätvärdet digitaliseras och kombineras förteckenriktigt med det korrigerade grovmätvärdet, som erhålles medelst en differensbild- ning mellan grovmätvärdet för tidsavståndsmätningen och grovmätvärdet för korrektionsvärdesmätningen.

3. Förfarande enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att i var och en av de båda bearbetningskanalerna mellanlagras fin- mätvärdet för korrektionsvärdesmätningen före differensbildningen i analog form. 4-47 609

4. Förfarande enïigt något av föregående patentkrav 1-3, k ä n n e- t e c k n a t därav, att för kaiibrering av i de båda kanaïerna befint- iiga anaiogmätkoppiingar aistras en start- och en stoppsignaï med ett noggrannt känt tidsmässigt avstånd och som tiïïföres start- och Stoppin- gångarna för styrkoppiingen (35,36) sâväï som aktueïï bearbetningskana1 och att för eiiminerande av de i de härvid erhâïïna grov- och finmätvär- dena innefattande signalbearbetningstiderna tiïïföres ett mot korrek- tionsvärdesmätningen för tidsavståndsmätningen svarande ka1ibrerings-kor- rektionsvärdesmätningen.

5. Förfarande enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att efter varje en tidsavståndsmätning och en korrektionsvärdesmätning bestående mätcykeï genomföres en av en kaiibreringsmätning och en kaii- breríngs-korrektionsvärdesmätning bestående kaiibreringscykeï.

6. Förfarande enïigt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att först efter ett på förhand bestämt antaï mätcykiar alstras en kaii- breringscykeï.

7. Förfarande eniigt något av föregående patentkrav 4-6, k ä n n e - t e c k n a t därav, att för var och en av de båda bearbetningskana- lerna (10,11) skaii digitaïiserat, korrigerat kalibrerings-finmätvärde divideras med det exakt kända tidsmässiga avståndet meïian de för kaïi- breringsmätningen nyttjade start- och stoppsignaïerna och att med den så erhåiina digitaia kaiibreringsfaktorn det eïier de vid den eïïer de tiiihörande mätcykiarna i resp. kanai erhå11na korrigerade finmätvärdet före sin förteckenriktiga kombination muïtipiiceras med det tiïihörande grovmätvärdet.

8. Förfarande enligt något av föregående patentkrav 5-7, k ä n n e - t e c k n a t därav, att kurvformen och/eïier det tidsmässiga iäget för den eïektriska signai, vars tidsmässiga avstånd ska11 mätas, kontroi- ïeras och”att först efter ett uppfyïïande av på förhand bestämda kri- teria tiïiåtes ett genomförande av en fuïïständig mätcykeï. 447 609

9. Förfarande enligt ett eller flera av föregående patentkrav, k ä n- n e t e c k n a t därav, att för genomförande av en fullständig mät- cykel och en därpå följande fullständig kalibreringscykel nyttjas åtta tidsavsnitt (Ql till Q8) av vilka; - det första (Q1) tjänar syftet att utföra den från okorrigerade grov- och finmätvärden för det för mätningen avsedda tidsav- ståndet givna tidsavståndsmätningen, - det andra (Q2) tjänar syftet att utföra korrektionsvärdesmät- ningen och för differensbildning mellan grovmätvärdet och det i samma bearbetningskanal alstrade finmätvärdet vid tidsavstånds- mätningen å ena sidan och korrektionsvärdesmätningen å andra sidan, - det tredje (Q3) tjänar syftet att digitalisera det sålunda erhållna analoga, korrigerade finmätvärdet och för lagring av det därvid givna digitalt korrigerade finmätvärdet och det i andra tidsavsnittet (Q2) erhållna digitala korrigerade grovmät- värdet, - det fjärde (Q4) tjänar syftet att utföra kalibreringsvärdes- mätning, - det femte (05) tjänar syftet att förbereda kalibreringskorrek- tionsvärdesmätning, - det sjätte (Q6) tjänar syftet att utföra kalibrerings-korrek- tionsvärdesmätning och för differensbildning mellan det i samma bearbetningskanal alstrade finmätvärdet vid kalibreringsmät- ningen å ena sidan och kalibreríngskorrektionsvärdesmätningen å andra sidan, - det sjunde (Q7) tjänar syftet att digitalisera det sålunda erhållna, korrigerade kalibrerings-finmätvärdet och genom dess jämförelse med det kända tidsavståndet mellan start- och stopp- signalerna för kalibreringsvärdesmätningen för att alstra digi- tala kalibreringsfaktorer, för skalering av det i tredje tids- avsnittet (Q3) lagrade digitala, korrigerade finmätvärdet med hjälp av de digitala kalibreringsfaktorerna, för förtecken- riktig kombination med skalerade finmätvärden med det i tredje tidsavsnittet (Q3) lagrade korrigerade digitala grovmätvärdet 447 609 till ett gemensamt mätvärde och för att visa och/eller lagra detta mätvärde och e - det åttonde (Q8) tjänande syftet att återföra hela anordningen i beredskapstillstånd.

10. Förfarande enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a t ,därav, att i det fjärde tidsavsnittet (Q4) genomföres istället för kalibre- ringsmätning kalibrerings-korrektionsvärdesmätning och i sjätte tidsav- snittet (Q6) genomföres i stället för kalibrerings-korrektionsvärdesmät- ning kalibreringsmätning med tillhörande differensbildning mellan resp. givet finmätvärde.

11. Anordning för mätning av det tidsmässiga avståndet mellan två elekt- riska signaler med; - en fritt svängande kvartsoscillator (16), - en räknare (17) för att räkna kvartsoscillatorns (16) perioder, - en styrkoppling (35,36) för räknaren (17) med en startingång, till vilken tillföres den tidigare av dessa elektriska signa- ler, varpå räknaren (17) påbörjar räkningen av kvartsoscilla- torns (16) perioder, och med en stoppingång, till vilken till- föres den senare av de båda elektriska signalerna, varpå räk- naren (17) avslutar räkningen av kvartsoscillatorns (16) perio- der och därvid bibehåller ett räknevärde, som bildar ett grov- mätvärde för det för mätningen avsedda tidsmässiga avståndet, - två bearbetningskanaler (10,11), av vilka den ena tillföras den tidigare och den andra den senare av de båda elektriska signa- lerna och av vilka var och en omfattar en analog tidsmätande koppling (10a,11a), som var och en för alstring av ett finmät- värde mäter det tidsmässiga avståndet för den aktuella elekt- riska signalen och den tillhörande signaldelen för 447 609 kvartsoscillatorns (16) svängning, med vilket räkningen genom _räknaren (17) började resp. slutade, och - med en räknekoppling (26) för förteckenriktig kombination av grovmätvärdet och de båda finmätvärdena till ett slutligt mät- värde, lämplig för genomförande av förfarandet enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, - att en kopplingsanordning (21) är anordnad för alstring av en signal, som för genomförandet av en korrektionsvärdesmätning samtidigt tillföres start- och stoppingångarna för styrkopp- lingen (35,36) och ingångarna för de båda bearbetningskanalerna (10,l1), - att räknaren (17) är utbildad som en UPP/ned-räknare, som vid tidsavståndsmätning är inkopplad för uppräkning och vid korrek- tionsvärdeamätning är inkopplad för nedräkning, för att bilda differensen mellan grovmätvärdena för tidsavståndsmätningen och korrektionsvärdesmätningen, - att den analoga tidsmätande kopplingen (10a,11a) är för var och en de båda bearbetningskanalerna efterkopplad med två till varandra parallella mätvärdesminnen (10d,10e,11d,11e), av vilka det ena övergående lagrar tidsavståndsmätningens finmätvärde och det andra lagrar finmätvärdet för den tillhörande korrek- tionsvärdesmätningen och - att en subtraktionskopplare (l2,l3) är anordnad för att bilda differensen mellan finmätvärdet för varje tidsavstândsmätning och finmätvärdet för tillhörande korrektionsvärdesmätning.

12. Anordning enligt patentkravet 11, k ä n n e t e c k n a d därav, H att var och en av de båda tidsmätande kopplingarna (l0a,1la) utgöres av IJ du 447 609 en tid/amp1itud-omvandlare och att de tid/amp1itudomvand1aren efterkopp- 1ade mätvärdesminnena (10d,10e,11d,l1e) är utformade som anaïogminnen.

13. Anordning enligt patentkravet 12, k ä n n e t e c k n a d därav, att i var och en av de båda bearbetningskanaïerna (10,1l) förefinns en subtraktionskoppïing (12,13) utbiïdad som en differensförstärkare, med vars positiva ingång utgången för det ena anaiogminnet (10e,1le) och med vars negativa ingång utgången för det andra anaïogminnet (10d,11d) är förbundna och att utgångssignaïen för varje differensförstärkare (12,13) är ansïutbar tiil en anaïog/digital~omvand1are (14,15).