DE2400610C2 - Schneller Histograph - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Registrieren der Häufigkeit von bestimmten Funktionswertbereichen in einer zweidimensionalen Funktion (Histogramm) und Ausgabe der Häufigkeitswerte, wobei die Funktion als Amplituden-Zeit-Funktion einem Klassifizierer zugeführt wird, der für jeden voneinander verschiedenen zu registrierenden Amplitudenwert einen Ausgang besitzt und der jeweils nur an einem Ausgang ein Ausgangssignai liefert, wenn die Funktion den zugehörigen Funktionswert annimmt, und wobei jedem Ausgang ein Speicher zugeordnet ist und alle Ausgänge an bestimmten Zeitpunkten abgefragt werden und derjenige Speicher ein Speichersignal erhält, dessen zugeordneter Ausgang im Abfragezeitpunkt ein Ausgangssignal führt, und wobei zur Ausgabe der Häufigkeitswerte die Speicher nacheinander abgefragt und einer Ausgabeeinrichtung zugeführt werden.

Zur Untersuchung von Funktionen werden diese manchmal, z. B. bei der Sprachanalyse, so in eine andere Darstellung umgewandelt, riaß die Häufigkeiten aufeinanderfolgender Funktionswertbereiche nebeneinander dargestellt werden. Eine derartige Darstellung wird das Histogramm einer Funktion genannt, und eine Einrichtung zur Erzeugung dieser Darstellung heißt Histograph.

Derartige Histographen sind z. B. aus der US-Patentschrift 36 29 838 bekannt Das Eingangssignal wird als Amplituden-Zeit-Funktion einem Klassifizierer zugeführt, der für jeden dar verschiedenen Amplitudenwerte einen Ausgang besitzt. Diese Ausgänge führen auf eine Koinzidenzschaltung, wo diese Ausgänge nacheinander von einem Schrittschalter abgetastet werden. Die Speicher werden durch Kondensatoren gebildet, und der Schrittschalter verbindet nacheinander jeden Kondensator mit einer Auflade- oder Entladestromquel-Ie. Zur Steuerung des Schrittschalters und der Ladeschalter für die Kondensatoren sowie für weitere Baugruppen wird noch ein zusätzlicher Zeitsteuergenerator benötigt.

Diese Einrichtung erfordert daher einen hohen Aufwand an Schaltmitteln bzw. Bauelementen, da sowohl ein Klassifizierer für analoge Signale kompliziert aufgebaut ist wie auch die Schalter für analoge Signale zumindest für eine gewisse Genauigkeit schwierig zu realisieren sind. Ferner können die Kondensatoren ihren gespeicherten Analogwert nur begrenzte Zeit halten, so daß eine wiederholte Betrachtung der Häufigkeitsverteilung auf einem Bildschirm praktisch nicht möglich ist. Ferner ist es nicht möglich, die Amplitudenwerte an genau festgelegten Zeitpunkten abzutasten, da durch den Schrittschalter die einzelnen Amplitudenwerte nacheinander abgetastet werden, so daß die niedrigen Amplitudenwerte früher abgetastet werden als die hohen Amplitudenwerte oder umgekehrt, je nach der Reihenfolge des Schrittschalters, und in dieser Zeit kann sich die Amplitude der Funktion bereits geändert haben. Wegen dieser erheblichen Abtastzeit können auch keine sehr schnellen Vorgänge ausgewertet we-den.

Aus der Druckschrift »IBM Technical Disclosure so Bulletin«, Vol. 3, No. 11 April 1961, Seiten 55 und 56 ist eine Anordnung zum Umsetzen einer Kurve in eine Folge von Binärwerten bekannt. Die Kurve ist auf einem Papierstreifen aufgezeichnet und wird abschnittsweise mit Hilfe eines schmalen Lichtbündels und einer rotierenden Kurvenscheibe abgetastet. Synchron mit der Kurvenscheibe wird ein Zähler gestartet, und wenn die Kurvenscheibe die auf dem Papierstreifen aufgezeichnete Kurve abtastet, wird der Zähler gestoppt Mit dieser Anordnung wird jedoch kein Histogramm einer zweidimensionalen Funktion ermittelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Registrieren der Häufigkeit von bestimmten Funktionswerten nach der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß ein frei wählbarer Abschnitt einer Funktion mit höherer Genauigkeit untersucht und dessen Häufigkeitsverteilung praktisch beliebig lange dargestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Funktion über einen Analog-Digital-Wandler und ein Zeitfenstertor, das während der Dauer eines Zeitfensters entsprechend mehrerer aufeinanderfolgender Abfragezeitpunkte geöffnet ist, dem als Dekodierer ausgebildeten Klassifizierer zugeführt w ird, der mindestens so viele Binärbits der digitalen Funktionswerte vollständig an je einem Ausgang dekodiert, wie der geforderten Amplitudenauflösung entspricht, daß an jedem Ausgang über je ein UND-Glied ein Zähler in einer Zähleinheit angeschlossen ist, daß alle UND-Glieder zu jidem der Abfragezeitpunkte innerhalb der Dauer des Zeitfensters gleichzeitig freigegeben werden und der einem ein Ausgangssignal führenden Ausgang zugeordnete ZShler eine Zählstellung weiterschaltet, und daß eine Multiplexeinrichtung alle Zählerstellungen nach Beendigung des Zeitfensters abfragt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist also, die zu untersuchende Funktion möglichst frühzeitig zu digitalisieren, so daß alle weiteren Maßnahmen mit digitalen Schaltkreisen durchgeführt werden können. Solche Schaltkreise sind wesentlich einfacher und preiswerter als analoge Schaltkreise, insbesondere bei höherer Genauigkeit Der Klassifizierer wird also durch einen Dekodierer ersetzt, und die Speicher werden durch Zähler gebildet, die eine Information beliebig lange halten können, solange nicht die Betriebsspannung abgeschaltet wird. Die Abtastzeitpunkte können durch einen einfachen Taktgenerator vorgegeben werden, sie können aber auch von einer Änderung der Ausgangssignale des Dekodierers abhängig gemacht werden.

Wenn eine zu untersuchende Funktion nicht als Amplituden-Zeit-Funktion vorliegt, sondern beispielsweise als gezeichnete Kurve, kann mit Hilfe einer Fernsehkamera leicht eine Amplituden-Zeit-Funktion erzeugt werden, die gleichzeitig digitalisiert ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

Die zu untersuchende analoge Amplituden-Zeit-Funktion wird über den Eingang 15 und einen Schalter einem schnellen Analog-Digital-Wandler 4 zugeführt, der aus der kontinuierlichen analogen Funktion eine Folge von digital dargestellten Amplitudenwerten erzeugt Eine andere Möglichkeit ist, daß die zu untersuchende Funktion aus Meßwerten besteht, die räumlich verteilt sind, z. B. mechanische Beanspruchung von Konstruktionselementen an unterschiedlichen Punkten. Dann wird jedem Meßpunkt ein Meßwertaufnehmer Mu Mz ... Mt zugeordnet, und die einzelnen Meßwerte werden über einen Datenmultiplexer 2 nacheinander über den dann umgelegten Schalter dem Analog-Digital-Wandler zugeführt. In diesem Fa¹I kann der Wandler synchron mit dem Datenmultiplexer arbeiten. Dadurch wird die räumliche Verteilung von beliebigen Meßwerten in eine zeitliche Verteilung elektrischer Größen umgewandelt.

Wenn die zu untersuchende Funktion beispielsweise als graphische Kurve auf einem Aufzeichnungsträger vorliegt oder aus der Kontur eines Körpers besteht, kann die Ortsfunktion auf folgende Weise in eine Amplituden-Zeit-Funktion umgewandelt werden. Mit einer Fernsehkamera 1 wird die Kurve bzw. die Kontur zeilenweise abgetastet Zu Beginn einer Zeile wird ein Zähler 3 gestartet, der die Anzahl von Zeiteinheiten zählt bis der Elektronenstrahl der Kamera zu dem Punkt des Vorlagenabbildes auf der lichtempfindlichen Schicht der Kamera gelangt Ist dieser Punkt erreicht so gibt die Kamera einen Impuls ab, der den Zählvorgang stoppt. Der Zählerstand gibt dann den Wert der einen Koordinate der Kurve an, und zwar gleich als digitalen Wprt Dieser Vorgang wiederholt sich mit jeder Zeile, so daß sich insgesamt eine Amplituden-Zeit-Funktion aus der geometrischen Vorlage ergibt

Die so erzeugten digitalen Amplitudenfunktionen werden über einen Umschalter einem Zeitfenstertor, 5 zugeführt, das diese Amplitudenwerte nur für eine bestimmte Zeitfensterdauer durchläßt Diese kann beispielsweise durch einen Taktgenerator 16 gesteuert werden, um zu gewährleisten, daß die Anzahl der Abtastungen pro Zeitfenster konstant bleibt Wenn besondere Auflösungen gewünscht sind, kann die Zsitfensterdauer auch unabhängig von der Taktfrequenz eingestellt werden.

Die am Ausgang des Zeitfenstertors 5 erscheinenden digitalen Amplitudenwerte werden einem Dekodierer 6 zugeführt der die üblicherweise als Dualzahlen vorliegenden Werte nur dekodieren muß. Entsprechend der geforderten Amplitudenauflösung mit einer bestimmten Anzahl von Stufen, die zweckmäßig eine volle Potenz von 2 ist, werden von den vom Analog-Digital-Wandler kommenden Dualzahlen nur die ersten Bits entsprechend der Stufenzahl dekodiert, wobei vorausgesetzt ist, daß die Auflösung der Analog-Digital-Wandler üblicherweise größer ist als die für den Histographen geforderte Amplitudenauflösung. Dies geschieht mit üblichen Verknüpfungsgliedern, deren Ausgänge aus dem Dekodierer 6 herausgeführt werden, so daß für jede aufzulösende Stufe ein Ausgang vorhanden ist

Jede Ausgangsleitung ist mit dem einen Eingang eines UND-Gliedes 8 verbunden, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eines in der Zeichnung dargestellt ist. Der andere Eingang aller UND-Glieder ist gemeinsam über einen Schalter in dessen einer Schalterstellung mit dem Taktgenerator 16 verbunden, der einen regelmäßigen Takt liefert Diese Takte stellen Abfragepunkte der auszuwertenden Funktion dar, denn mit jedem Takt werden alle UN D-Glieder 8 gleichzeitig kurzzeitig geöffnet und die Ausgänge des Dekodierers 6 durchgeschaltet.

Der Ausgang jedes UND-Gliedes 8 ist mit einem Zähler in der Zählereinheit 9 verbunden, so daß jeweils ein Zähler einem bestimmten Ausgang des Dekodierers 6 zugeordnet ist. Da jeweils nur ein Ausgang des Dekodierers 6 ein Ausgangssignal führen kann, erhält mit jedem Taktsignal des Taktgenerators 16 nur jeweils ein Zähler ein Zählsignal. Auf diese Weise zählt jeder Zähler, wie oft ein bestimmter, ihm zugeordneter Amplitudenwert während des Zeitfensters aufgetreten ist. Dabei wird also bei jedem Takt ein Amplitudenwert ausgewertet, auch wenn die Eingangsfunktion über mehrere Takte konstant ist. Die Summe aller Zählerstände entspricht dann der Taktanzahl pro Zeitfenster.

In der Figur ist noch eine andere Möglichkeit der Registrierung dargestellt, die in der rechten Schalterstellung wirksam ist. Dazu sind alle Ausgänge des Dekodierers 6 mit einem Detektor 7 verbunden, der jeweils dann ein Steuersignal am Ausgang abgibt wenn sich seine Eingangssignale, d. h. die Ausgangssignale des Dekodierers 6 ändern. Die UND-Glieder 8 werden gleichzeitig mit jedem Steuersignal am Ausgang des Detektors geöffnet, so daß nun ein Amplitudenwert der Eingangsfunktion nur dann registriert wird, wenn er neu auftritt.

Die Zählerstände der Zählereinheit 9 stellen nach Beendigung des Zeitfensters die Amplitudenverteilung der zu untersuchenden Eingangsfunktion im Zeitfenslerintervall dar. Zum Ausgeben der Amplitudenverteilung werden die Zählerstände über einen digitalen Multiplexer 10 nacheinander, abgefragt und einem Steuergerät 11 zugeführt. Dieses Steuergerät enthält im wesentlichen eine Schieberegistergruppe, wobei jeder Zählstufe der Zähler ein Schieberegister zugeordnet ist und die Anzahl der Stufen der Schieberegister gleich der Anzahl der Zähler in der Zähleranordnung 9 ist. Dieser Schieberegistergruppe werden die Zählerstände parallel zugeführt, wobei alle Schieberegister parallel weitergeschoben werden. Diese Übertragung der Zählerstände kann mit hoher Geschwindigkeit erfolgen. Zur Darstellung der Amplitudenverteilung auf dem Bildschirm eines Fernsehgerätes 12 werden die Schieberegister mit einem langsameren Takt entsprechend der CCIR-Fernsehnorm wieder ausgelesen. Zu Beginn einer Zeile wird ein Zähler gestartet, der während der Zeilendauer so weit zählt, wie der gewünschten Amplitudenauflösung pro Zeile entspricht. Der Zählerstand wird laufend mit dem Ausgang der Schieberegister mittels eines !Comparators verglichen, der bei Gleichheit einen Impuls liefert. Zu Beginn jeder Zeile wird der Elektronenstrahl hellgetastet, bis der Komparatorimpuls erscheint und den Elektronenstrahl wieder dunkeltastet. Auf diese Weise werden die gewünschten Balkendiagramme erzeugt. Je nach gewünschter Amplitudenauflösung werden eine oder mehrere Zeilen zur Darstellung einer Amplitudenstufe benutzt.

Zweckmäßig liefert das Steuergerät gleichzeitig die Synchronisierimpulse für Zeilen- und Bildwechsel des Fernsehgerätes, das als Ausgabegerät benutzt wird. Die Hell- bzw. Dunkelsteuerimpulse des Steuergerätes 11 werden direkt in den Videoverstärker des Fernsehgerätes eingespeist. Um ein Histogramm längere Zeit betrachten zu können, werden die Schieberegister in dem Steuergerät nach dem Einlesen im Ring geschlossen, so daß die Information zyklisch umläuft. So kann das Histogramm eines kurzen Vorganges beliebig lange betrachtet werden.

Zur dauerhaften Speicherung kann das Histogramm von den Schieberegistern mit einem langsameren Takt auf ein Magnetbandgerät 14 oder einen Lochstreifenstanzer 13 ausgegeben werden. Wenn das Histogramm später noch einmal betrachtet werden soll, können die Bänder bzw. Lochstreifen wieder verwendet werden, um die Schieberegister in dem Steuergerät und darüber das Fernsehgerät 12 zu steuern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Registrieren der Häufigkeit von bestimmten Funktionswertebereichen in einer zwei dimensionalen Funktion (Histogramm) und Ausgabe der Häufigkeitswerte, wobei die Funktion als Amplituden-Zeit-Funktion einem Klassifizierer zugeführt wird, der für jeden voneinander verschiedenen, zu registrierenden Amplitudenwert einen Ausgang besitzt und der jeweils nur an einem Ausgang ein Ausgangssignal liefert, wenn die Funktion den zugehörigen Funktionswert annimmt, und wobei jedem Ausgang ein Speicher zugeordnet ist und alle Ausgänge an bestimmten Zeitpunkten abgefragt werden und derjenige Speicher ein Speichersignal erhält, dessen zugeordneter Ausgang im Abfragezeitpunkt ein Ausgangssignal führt, und wobei zur Ausgabe der Häufigkeitsverte die Speicher nacheinander abgefragt und einer Ausgabeeinrichtung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion über einen Analog-Digital-Wandler (3,4) und ein Zeitfenstertor (5), das während der Dauer eines Zeitfensters entsprechend mehrerer aufeinanderfolgender Abfragezeitpunkte geöffnet ist, dem als Dekodierer (6) ausgebildeten Klassifizierer zugeführt wird, der mindestens so viele Binärbits der digitalen Funktionswerte vollständig an je einem Ausgang dekodiert, wie der geforderten Amplitudenauflösung entspricht, daß an jedem Ausgang über je ein UND-Glied (8) ein Zähler in einer Zähleinheit (9) angeschlossen ist, daß alle UND-Glieder (8) zu jedem der Abfragezeitpunkte innerhalb der Dauer des Zeitfensters gleichzeitig freigegeben werden und der einem ein Ausgangssignal führenden Ausgang zugeordnete Zähler eine Zählstellung weiterschaltet, und daß eine Multiplexeinrichtung (10) alle Zähleratellungen nach Beendigung des Zeitfensters abfragt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die UND-Glieder .(8) von einem regelmäßigen Taktsignal eines Taktgenerators (16) freigegeben werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktsignal des Taktgenerators (16) auch die Dauer des Zeitfensters, gebildet durch Zeitfenstertor (5), steuert.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge des Dekodierers (6) ferner mit den Eingängen eines Detektors (7) verbunden sind, der bei jeder Änderung der Ausgangssignale des Dekodierers (6) ein Steuersignal erzeugt, das die UND-Glieder (8) freigibt.