DE2502570B2 - Verfahren zum zaehlen der impulsanzahl eines pulses waehrend eines bestimmten zeitintervalls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zählen der Impulsanzahl eines Pulses während eines bestimmten £ei tintervalls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Verfahren zum Messen des 2eitintervalls zwischen zwei Signalen wird eine Quelle für periodische Taktimpulse an eine Torschaltung angeschlossen. Ein erstes Signal wird benutzt, um die Torschaltung freizugeben, so daß diese den Taktpuls bekannter Periodendauer hindurchläßt. Ein zweites Signal wird benutzt, um die Torschaltung für den Durchlaß von Impulsen wieder zu sperren. Das Ausgangssignal der Torschaltung wird gezählt. Das Zeitintervall ist dann proportional der Anzahl der gezählten Impulse.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß das kürzeste auflösbare Zeitintervall durch die Periodendauer des Taktpulses vorgegeben ist. Das abgelesene Meßergebmis kann daher mit einem Fehler bis zu ± 1 Taktpulsperiode behaftet sein.

Ein zusätzlicher Fehler rührt von dem üblichen IDurchlaßverhalten der Torschaltung her. Wenn das Tor öffnet, kann es einen Teil eines Taktimpulses abschneiden. Das gleiche kann beim Schließen des Tors vorkommen. Die Reaktion der Zählschaltung auf ein Bruchstück eines Taktimpulses kann nicht zuverlässig bestimmt werden. Abhängig von der relativen zeitlichen Lage des Zeitintervalls zur Taktperiode können diese Bruchstücke von Taktimpulsen als 0, 1 oder 2 Taktimpulse gezählt werden. Wenn der Mittelwert über eine Anzahl von Zeitintervallen gebildet wird, ist das abgelesene Ergebnis abhängig von der Reaktion der Zählschaltung auf Bruchstücke von Taktimpulsen, und diese Abhängigkeit ist als potentielle Quelle von wesentlichen Fehlern schwierig zu steuern.

Die oben beschriebene Fehler kann stark reduziert werden, und die Auflösung kann verbessert werden,

wenn das öffnen und Schließen der Torschaltung mit den periodischen Taktimpulsen synchronisiert wird und wenn dann eine Mittelwertbildung über eine Anzahl von Zeitintervallmessungen vorgenommen wird. Ein solches Verfahren ist z. B. in der US-PS 36 31 343 beschrieben.

Durch das dort dargestellte Verfahren lassen sich für viele Messungen gültige und nützliche Ergebnisse erzielen. Ist jedoch die Wiederholfrequenz der zu mittelnden Zeitintervalle synchron mit der Taktfrequenz der periodischen Impulse, läßt sich mit den üblichen Mittelungsverfahren die Auflösung nur bis zu einem Fehler von ± 1 Impulsperiode verbessern.

Diese synchronen Frequenzen sind gegeben durch

/θ

wobei k die Taktfrequenz der Zeitbasis, Q, L und M positive Ganzzahlen und L und M ohne gemeinsamen Teiler sind. Der ungünstigste Fall tritt auf, wenn M = L = \ sind. Dabei findet überhaupt keine Mittelwertbildung statt. Für andere Werte von M findet eine teilweise Mittelwertbildung statt, wobei die Wirksamkeit mit M ansteigt. Zusammen mit einem schmalen benachbarten Frequenzband sind diese Frequenzen seh- /ahlreich, werden oft angetroffen und sind nicht gaii. einfach festzustellen. Bei Auftreten einer Synchron-Bedingung scheint ein Zähler typischerweise auf irgendeinem Wert »festzuhängen«, der ein ganzzahliges Vielfaches der Taktperiode sein kann (aber nicht sein muß), und die Mittelwertbildung über mehrere Intervalle erhöht die Auflösung der Messung nicht.

Ähnliche Grenzen der Auflösung werden bei Zählern beobachtet, bei denen ein zu messendes Signal durch eine zeitgesteuerte Torschaltung hindurchgelassen wird. deren Zeitfenster durch eine feste Zahl von Impulsen bestimmt ist, die mit der Taktfrequenz von der Zeitbasis des Zählers erzeugt werden. Das hindurchgelassene Signal kann z. B. ein Hochfrequenzpuls sein, dessen Frequenz bestimmt werden soll. Durch Zählen der Perioden des hindurchgelassenen Signals und Division dieser Zahl durch das bekannte Zeitintervall des Zeitfensters kann die Frequenz mit einer Genauigkeit von ± 1 Zählung gemessen werden. Bei der Mittelwertbildung wird eine Vielzahl dieser bekannten Zeitintervalle bzw. Zeitfenster erzeugt, und die Durchlaßperioden werden summiert. Die Durchschnittsfrequenz ist dann der Quotient aus der Gesamtzahl der hindurchgelassenen Perioden und der Summe aller erzeugten Zeitintervalle. Wenn die unbekannte Frequenz und die durch die Zeitbasis erzeugten Intervalle in synchroner Beziehung zueinander stehen, tritt das gleiche Problem auf wie bei der oben beschriebenen Zeitintervall-Mittelwertbildung, und es findet keine statistische Mittelwertbildung statt. Das Grundproblem ist jedesmal der gegenseitige Zusammenhang zwischen dem durch die Torschaltung durchgelassenen und dem den Durchlaß freigebenden Signal.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Verfahren derari weiterzubilden, daß eine Auflösung über die vorstehenc erläuterten Grenzen hinweg möglich wird. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahrer vorgesehen, welches eine statistisch vorausbestimmbare Verbesserung der Auflösung von mittelwertbildender Zeitintervall- und Frequenzmessungen ermöglicht, ohne

Rücksicht darauf, ob die Wiederholfrequenz der zu messenden Zeitintervalle mit der Taktfrequenz des Zählers synchron ist. Die Phase eines von einer Zeitbasis erzeugten Taktsignals wird bewußt verändert. Die Phasenänderung zerstört dann den Zusammenhang zwischen dem Taktsignal und dem zu messenden Signal, wodurch eine statistische Mittelwertbildung ermöglicht wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild der Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig.3 ein Blockschaltbild einer vOrrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in welcher die Anordnung nach Fig. 1 als Zeitbasis für einen mittelwertbildenden Zeitintervall-Zähler benutzt wird.

F i g. 4 ein Diagramm, welches die Zähleranzeigen darstellt, die durch die Vorrichtung gemäß Fig. 3 erzeugt werden, wenn Zeitintervalle gemessen werden, die mit einer Wiederholfrequenz auftreten, die mit der Taktfrequenz des Zählers synchron ist und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in welcher die Anordnung nach F i g. 1 als Zeitbasis für einen mittelwertbildenden Zähler zur Frequenzmessung benutzt wird.

In Fig. 1 ist eine zufalls-phasenmodulierte Zeitbasis dargestellt. Eine Rauschquelle 12 erzeugt ein Zufallsoder Pseudozufallasignal 2 und ist an einem ersten Eingang 5 eines verstärkungsgeregelten Verstärkers 14 angeschlossen. Der Verstärker 14 verstärkt die Amplitude und begrenzt die Bandbreite des Zufallssignals 2 von der Rauschquelle 12. Ein erster Ausgang 8 des Verstärkers 14 ist mit einem Pegeldetektor 18 verbunden, der den 'Rauschpegel des verstärkten Ausgangssignals des Verstärkers 14 erfaßt und ein Pegelsteuersignal 19 erzeugt, das einem Mittelwert derjenigen verstärkten Rauschamplituden entspricht, die oberhalb eines vorbestimmten Pegels liegen. Das Pegelsignal 19 wird einem zweiten Eingang 6 des Verstärkers 14 zugeführt und bewirkt dessen automatische Verstärkungsregelung, so daß an einem zweiten Ausgang 7 des Verstärkers 14 ein verstärktes Modulationssignal 11 mit gleichmäßigem Pegel erzeugt wird. Der zweite Ausgang 7 ist über einen Schalter 20 mit einem Phasenschieber 30 verbunden. Der Schalter 20 ermöglicht die Abtrennung des Modulationssignals 11 vom Phasenschieber 30. Der Phasenschieber 30 verändert die Phase einer von einer Referenzfrequenzquelle 50 erzeugten Referenzfrequenz 51 entsprechend dem Modulationssignal 11 und erzeugt an seinem Ausgang ein zufalls-phasenverschobenes Referenzfrequenzsignal 31. Das zufalls-phasenverschobene Referenzfrequenzsignal 31 wird einem Frequenzvervielfacher 40 zugeführt, der die Frequenz und die Phasenver-Schiebung vervielfacht und als Ausgang ein Taktsignal 60 erzeugt.

In F i g. 2 ist detailliert eine bevorzugte Ausführungsform einer zufalls-phasenmodulierten Zeitbasis dargestellt. Bei dieser Ausführungsform erzeugt die Rauschquelle 12 zufälliges weißes Gaußsches Rauschen, welches durch eine rückwärts vorgespannte Zenerdiode 81 erzeuBt wird. Die Zenerdiode 81 ist mit einem

Vorspannungswiderstand 82 in Reihe zwischen eine i5 V-Spannungs-Quelle und Massepotential geschaltet. Das Zufallssignal 2 wird an der Kathode der Zenerdiode 81 abgenommen und dem ersten Eingang 5 des verstärkungsgeregelten Verstärkers 14 zugeführt.

Für den Verstärker 14 werden integrierte Operationsverstärker, z. B. National Semiconductor LM 301A od. ä. benutzt Das Zufallssignal 2 wird über einen Kondensator 79 an den Eingang des ersten Operationsverstärkers 84 angekoppelt Der Verstärkungsfaktor des ersten Operationsverstärkers ist bestimmt durch das Verhältnis

wobei /?85 der Widerstandswert des Widerstandes 85 und /?86 der durch einen Feldeffekttransistor 86 erzeugte Widerstand ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 84 wird über einen Kondensator 87 an einen zweiten Operationsverstärker 91 angekoppelt. Der Verstärkungsfaktor des zweiten Operationsverstärkers 91 ist bestimmt durch das Verhältnis

wobei Rm der Widerstandswert eines Widerstandes 89 und /?9o der Widerstandswert eines Widerstandes 90 ist. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 91 ist mit dem ersten Ausgang 8 und — über einen Entkopplungswiderstand 92 — mit dem zweiten Ausgang 7 verbunden. Ein Widerstand 93 ist zwischen Ausgang 7 und Masse geschaltet, so daß der Ausgangspegel des Modulationssignals 11 gesenkt wird.

Der Pegeldetektor 18 ist mit dem ersten Ausgang 8 des Verstärkers 14 verbunden. Das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers 91, das am Ausgang 8 erscheint, ist über einen Kondensator 100 mit der Kathode einer Siliciumdiode 103 verbunden. Die Kathode der Diode 103 wird durch ein Spannungsteilernetzwerk auf einem Spannungspegel-Schwellwert gehalten. Das Spannungsteiler-Netzwerk besteht aus einem Widerstand 101 und einem Widerstand 102, die in Reihe zwischen eine 15 V-Spannungsquelle und Masse geschaltet sind und deren gegenseitige Verbindung an die Kathode der Diode 103 angeschlossen ist. Rauschspannungsspitzen am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 91, deren negative Amplitude größer als die Summe der an der Kathode der Diode 103 aufgebauten Schwellenspannung und einem 0.7 V-Vorwärtsspannungsabfall der Siliciumdiode sind, werden einem Kondensator 104 zugeführt. Spannungsänderungen am Kondensator 104 ändern das Potential am Punkt 105 und erzeugen das Pegelsignal 19. Das Pegelsignal 19 wird dem Feldeffekttransistor 86 im Verstärker 14 zugeführt und ändert den Widerstand R_sb und damit den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 14.

Die beobachtete Frequenzbandbegrenzung des pegelgeregelten und verstärkten Modulationssignals 11 am zweiten Ausgang 7 beträgt ungefähr 3 kHz und ist hauptsächlich auf die Betriebscharakleristik der Operationsverstärker 84 und 91 zurückzuführen. Übermäßige Frequenzbandbreite könnte in geeigneter Weise begrenzt werden, indem ein Filternetzwerk in den Verstärker 14 oder seriell vor dem ersten Eingang 5 bzw. hinter dem zweiten Ausgang 7 eingesetzt wird.

Das Modulationssignal 11 wird über einen Schalter einem Kondensator 110 innerhalb des Phasenschiebers

30 zugeführt. Der Kondensator 110 koppelt das Modulationssignal 11 an einen Punkt 120 an. Widerstände 111 und 112 sind in Reihe zwischen eine 15 V-Spannungsquelle und Masse geschaltet und erzeugen somit ein Vorspannungspotential am Punkt 120. Das ^s Potential am Punkt 120 wird, ausgehend vom Vorspannungspotential, durch das Modulationssignal 11 variiert und wird über einen Widerstand 113 an die Kathode einer Varactordiode 114 angekoppelt. Die Varactordiode 114 ändert ihre Kapazität in Abhängigkeit von den ι ο Spannungsänderungen am Punkt 120. Ein Kopplungskondensator 115 gibt die Kapazitätsänderungen der Varactordiode 114 an einen Parallelschwingkreis 116 weiter. Der Schwingkreis 116, der Kondensator 115 und die Varactordiode 114 sind so abgestimmt, daß der is Phasenschieber 30 eine Resonanzfrequenz bei der Referenzfrequenz 51 hat. Das Modulationssignal 11 verändert die Kapazität der Varactordiode 114 in der Weise, daß der Phasenschieber 30 leicht auf Werte beiderseits der Resonanzfrequenz verstimmt wird. Die Verstimmung des Phasenschiebers 30 auf eine niedrigere Frequenz als die Resonanzfrequenz bewirkt eine Phasenverschiebung des Signals 31 zu einer Seite hin. während die Verstimmung in Richtung auf höhere Frequenzen eine entgegengesetzte Phasenverschiebung des Signals 31 bewirkt. Bei 10 MHz Referenzfrequenz 51 beträgt die Phasenverschiebung ungefähr 7".

Das zufalls-phasenverschobene Signal 31 wird einer üblichen Frequenzvervielfacherkette 40 zugeführt, die die Frequenz des Signals 31 um den Faktor 50 von 10 MHz auf "500 MHz erhöht und das Taktsignal 60 erzeugt Die sich aus der Phasenverschiebung bei 10 MHz entsprechend dem Modulationssignal 11 ergebende Zeilverschiebung führt zu einer effektiven Phasenverschiebung des Taktsignals 60 bei 500 MHz, die ;,s ebenfalls mit dem Faktor 50 multipliziert ist, da die effektive Phasenverschiebung gleich dem Quotienten aus der Frequenz und der Zeitverschiebung ist. Die Standardabweichung der Phasenmodulation bei 500 MHz sollte mindestens eine volle Periode des 4c Taktsignals 60 betragen, so daß eine statistische Mittelwertbildung bei Synchronfrequenzen erfolgt.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, in welchem die zufalls-phasenmodulierte Zeitbasis nach Fig.2 als Zeitbasis für einen üblichen mittclwertbildenden Zähler 220 benutzt wird, der auf Zeitintervall-Mittelwertbildung geschaltet ist. Beispiele für solche Zähler sind Hewlett-Packard Modell 5345A, ein Zähler des in der US-PS 36 31 343 beschriebenen Typs od. ä. Es sei angenommen, daß eine Zeitintervall- so quelle 210, deren Ausgang gemessen werden soll. Zeitintervalle 211 von 11 ns mit einer Wiederholfrequenz von genau 50 MHz erzeugt, was eine genaue Subharmonische der 500 MHz-Taktfrequenz ist die von der zufalls-phasenmodulierten Zeitbasis 200 erzeugt wird. Wenn der Schalter 20 in der Zeitbasis 200 offen ist so daß kein Modulationssigrial 11 dem Phasenschieber 30 zugeführt wird, findet keine Zufalls-Phascnvcrschicbung des Taktsignals 60 statt. Da im vorliegenden Fall eine Synchronbedingung erfüllt ist, erfolgt keine statistische Mittelwertbildung, und der Zähler zeig!, abhängig von der anfänglichen Phasenbeziehung, entweder 10 ns oder 12 ns an. Wenn der Schalter 20 geschlossen ist, so daß das Taktsignal 60 zufalls-phasenverschoben wird, wird der Zusammenhang zerstört, kann eine statistische Mittelwertbildung stattfinden, und die Zähleranzeige nähert sich 11 ns.

In Fig. 4 ist die Zähleranzeige 230 für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 und mit einer Wiederholfrequenz von 50 MHz zuzüglich ungefähr 0,¹ Hz zugeführte Intervalle 211 von 11 ns Dauer graphisch aufgetragen. Die Frequenzverschiebung von 0,1 Hz ermöglicht es, daß die Zähleranzeige während der Meßdauer mehrmals von einem Wert zum anderen überwechselt. Wie in F i g. 4 dargestellt ist, wird bei Einführung der Zufaüs-Phasenmodulation der Zusammenhang zerstört. Es findet eine statistische Mittelwertbildung statt, und die Auflösung wird verbessert.

Die sich aus der Phasenmodulation der Zeitbasis ergebenden Nachteile sind nicht schwerwiegend. Bei einem Moduiationssignal 11, das esne Modulations-Standardabweichung von 360° hat und dessen Bandbreite auf 3 kHz begrenzt ist, wird der Fehler bei der Messung von Zeitintervallen unter 7 μδ völlig vom Quantisierungsfehler von ± 11 Zählung überwogen, und keine Verschlechterung der Genauigkeit durch die Zufalls-Phasenmodulation ist erkennbar. Bei Zeitintervallen, die wesentlich über 7 ps liegen, erhöht die Phasenmodulation der Zeitbasis die Standardabweichung der Messungen um einen Faktor 2,75 oberhalb des Quantisierungsfehlers von ± 1 Zählung, welches der mögliche Minimalfehler bei nichtsynchronen Frequenzen ist. Dieser Anstieg der Standardabweichung läßt sich durch Mittelung einer größeren Anzahl von Intervallen senken.

In Fig. 5 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführun;*sbeispiel der Erfindung dargestellt, in welchem die Zeitbasis nach F i g. 2 als Zeitbasis 200 für einen mittelwertbildenden Frequenzzähler 320 verwendet wird. Der Zähler 320 mißt ein zugeführtes Signal 311, das eine Frequenz enthält, die stoßweise mit einer Wiederholfrequenz auftritt, welche synchron zur Frequenz des Taktsignals 60 ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine Pseudo-Zufallssignalquelle als Modulationssignalquelle 10 verwendet werden. Hierzu können übliche Pseudo-Zufallssignalquellen benutzt werden, z. B. Hewlett-Packard Modell 3722A od. ä.

Es ist auch möglich, eine Modulationssignalquelle 10 zu benutzen, die deterministische Kurvenformen erzeugt wie sie durch übliche Oszillatoren, Funktionsgeneratoren u. ä. erzeugt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Zählen der Impulsanzahl eines Pulses während eines bestimmten Zeitintervalls, z. B. zur Zeitintervall- oder Frequenzmessung, wobei der Puls einer Torschaltung zugeführt wird, die Impulse entsprechend einem wiederholt zugeführten Intervallsignal durchläßt, wobei die Anzahl der jeweils durchgelassenen Impulse gezählt und der Mittelwert über eine Anzahl von Zählungen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbeziehung zwischen dem zugeführten Intervallsignal und dem Puls während der MeQperiode zeitlich variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne!, daß ein Zeitvariationssignal erzeugt wird und daß der Puls entsprechend dem Zeitvariationssignal phasenverschoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Puls frequenzvervielfacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitvariaiionssignal erzeugt wird und daß das zugeführte Intervallsignal entsprechend dem Zeitvariationssignal phasenverschoben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung durch ein Zufallssignal variiert wird.