DD102216B1 - SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR DIGITALEN MiiSSUNG DER OERTLiCHEN OD.2EITLICHEN LAGE U.DES ANSTIEGS DER FLANKEN ELEKTISCH.SIGNALF. - Google Patents

Description

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Verfahren und Einrichtung zur digitalen Messung der örtlichen oder zeitlichen Lage und des Anstiegs- der Planken elektrischer Signale

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur digitalen Ausmessung von Signalen, wie sie beispielsweise bei der Peinpositionierung des Elektronenstrahls in einer Elektronenstrahl-Bearbeitungsanlage auftreten.

Bs besteht dabei die Aufgabe, Meßwerte von der mittleren Lage und dem Anstieg einer Signalflanke in digitaler Form zu gewinnen, wobei die Signalgröße und -form stochastischen und systematischen Schwankungen unterworfen sein kann« Bekannte Verfahren und Einrichtungen zur Lösung sind

A. Lagemessung der Signalflanke durch Abzählen von Schritten von einem Startpunkt an bis zum Überschreiten eines vorgegebenen Spannungsschwellwertes.

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B. Analoge Signalumformung durch elektrische Differentiation und anschließende digitale Auswertung von Nulldurchgang (Lage) und Spitzenwert (Anstieg) des differenzierten Signals.

C. Weiterhin ist eine Einrichtung zur Ausmessung von sehr kurzen Impulsen bekannt, die Über Komparatoren eine zeitlineare Spannungsrampe starten und stoppen sowie danach die Höhe der erzeugten Rampe feststellen. Eine solche Einrichtung, die mit der Methode der Umwandlung von Zeiten in Amplituden und anschließender digitaler Amplitudenmessung arbeitet, beinhaltet die US-PS 3-633 101, allerdings in der Anwendung für die Messung der Signal-Impulsdauer.

Die grundsätzlichen Nachteile der bekannten Lösungen sind: Im Falle A

Es ist keine Steilheitsmessung möglich. Der Einfluß stochastischer Signalschwankungen (Rauschen) auf die Messung ist relativ groß. Außerdem wirken sich Formänderungen des Signals stark auf die Lagemessung aus.

Im Falle B

Durch die elektrische Differentiation wirci das Signalrauschen verstärkt und damit eine automatische Signalausmessung erschwert. Ferner ist für die Anstiegsmessung ein erhöhter Digitalisierungsaufwand notwendig.

Im Falle C

Die Umwandlung von Zeiten in Amplituden einer Rampe ist der einfachen Impulszählung (A.) äquivalent und weist demzufolge die gleichen Kachteile auf.

Sie ist besonders geeignet zur Messung von Zeitparametern extrem kurzer Impulse, da die in Amplitude gewandelte Zeit analog zwischengespeichert wird.

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Ea ist daher Aufgabe der Erfindung, die den bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Ausmessung von. Signalflanken anhaftenden Mängel zu vermeiden und eine digitale Messung der Lage und des Anstiegs der Planken elektrischer Signale mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird in einer Schaltungsanordnung zur digitalen Messung der örtlichen oder Zeitlichen Lage und des Anstiegs der Flanken elektrischer Signale unter Verwendung von Komparatoren и um Vergleich der Signale mit Schwellspannungen, von Flip-Flops, logischen Schaltungen und Zählern gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

- mehrere, vorzugsweise vier Komparatoren vorgesehen sind, wobei an einem Eingang jedes !Comparators eine der Signalhöhe angepaßte, für jeden Komparator unterschiedliche Schwellspannung und am zweiten Eingang jedes Komparators das auszuraessende Signal liegt,

- die Ausgänge der Komparatoren je mit dem RUcksatzeingang eines von vier Flip-Flops verbunden sind,

- die Ausgänge der Flip-Flops je einer Torschaltung zugeführt 3ind und jeweils die zweiten Eingänge jeder Torschaltung mit einer Impulsausgangsleitung eines Taktgebers verbunden sind,

- die Ausgänge der Torschaltungen über eine Oder-Schaltung eines Zählers zugeführt sind,

- das Ausgangssignal des ersten Komparators mit der geringsten Schwellspannung am Setzeingang und das Ausgangssignal de3 vierten Komparators mit der höchsten Schwellspannung am Rücksetzeingang eines fünften Flip-Flops und das Ausgangssignal des dritten Komparators am Setζeingang und das Ausgangssignal des zweiten Komparators am Rücksetzeingang eines sechsten Komparatora anliegt, wobei die Schwellspannung des dritten Komparators höher ist als die des zweiten,

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- der Ausgang dc3 fünften Flip-Flops mit dem ersten Eingang einer fünftan Torschaltung und der Ausgang des sechsten Flip-Flops mit dem ersten Eingang einer sechsten Torschaltung verbunden ist, an deren zweiten Eingängen je eine Impulsausgangsleitung eines zweiten Taktgebers anliegt, wobei die der fünften und sechsten Torschaltung gelieferten Impulsfolgen im Frequenzverhältnis 2:1 stehen,

- die Ausgänge der fünften und sechsten Torschaltung über eine zweite Oder-Schaltung einem zweiten Zähler zugeführt sind.

Die an den zweiten Eingängen der ersten vier Torschaltungen anliegenden Impulsfolgen haben gleiche Frequenz und sind zeitlich so gegeneinander versetzt, daß auf den Impulsleitungen niemals gleichseitig Taktimpulse auftreten. Die an den zweiten Eingängen der fünften und sechsten Torschaltung anliegenden Impulsfolgen stehen im Frequenzverhältnis 2:1 und sind ebenfalls zeitlich gegeneinander versetzt.

Die grundsätzliche Wirlmngsweiae der Schaltungsanordnung besteht darin, daß in d.en verschiedenen Spannungsniveaus der Komparatoren Abstandsmecsungen ausgeführt werden, die durch Mittelung die Flankenlage ergeben. Die Messung des Anstiegs der Flanke erfolgt durch angenäherte numerische Differentiation, mit Hilfe der gleichen als Rückstellen dienenden Spannungsniveaua an derselben Signalflanke. Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes dient die Zeichnung, in der die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung schematisch dargestellt ist.

In dieser Anordnung wird das auszumessende Signal U den Eingängen von vier Analog-Komparatoren 1; 2; 3» 4 zugeleitet, an denen außerdem unterschiedliche Schwellspannungen S₁; S_?; S^; S, liegen, die der Signalhohe angepaßt sind und йех Bedingung S·}^ ^S2 ^ ^o <· ^sa &^enügen müssen. Die Ausgänge der Komparatcren stehen mit den Rücksetzeingängen von vier Flip-Flop-Stufen 5; 6; 7; 6 in Verbindung. Die Ausgänge der Flip-Flop-Stufen sind mit Tors cha It ung en 9» Ю; 11 j 12 verbunden,

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denen von einem Taktgeber 13 Impulse für die Lagemessung zugeführt werden. Die an den Ausgängen der Torschaltungen 9; 10; 11; 12 auftretenden Impulse werden über eine Oder-Schaltung 1.4 einem Zähl.er 15 für die Lagemessung zugeleitet. Für den Meßbeginn der Lagemessung wird den Setzeingängen der Flip-Flop-Schaltungen 5; 6; 7; 8 und dem Taktgeber 13 ein Startimpula I zugeführt.

An die Ausgänge der vier Komparatoren 1; 2; 3» 4 sind zur Ermittlung des Flankenanstiegs zwei weitere Flip-Flop-Stufen 16 und 17 in der Weise angeschlossen, daß der Setzeingang der Flip-Flop-Stufe 16 mit dem Ausgang des Komparators 1, der Rücksetzeingang der Flip-Flop-Stufe 16 mit dem Ausgang des Komparators 4, der Setzeingang der Flip-Flop-Stufe 1,7 mit dem Ausgang des Komparators 3 und der Rücksetzeingang der Flip-Flop-Stufe 17 mit dem Ausgang des Komparators 2 in Verbindung 3tehen. Die Ausgänge dieser Flip-Flop-Stufen sind mit Torschaltungen 18 und 19 verbunden, denen von einem Taktgeber 20 Impulsfolgen unterschiedlicher Frequenz zugeführt werden. Die beideX°^aktgeber 20 gelieferten Impulsfolgen stehen im Frequenzverhältnis 2:1, wobei die Impulse der höheren Frequenz der Torschaltung 18 und die der niedrigeren Frequenz der Torschaltung 19 zugeführt werden. Die beiden Impulsfolgen sind zeitlich ao gegeneinander versetzt, daß auf den zugehörigen Impulsleitungen niemals gleichzeitig Taktimpulae auftreten. Die an den Ausgängen der Torschaltungen 18 und 19 auftretenden Impulse v/erden über eine Oder-Schaltung21 einem Zähler 22 für die Messung des Anstiegs der Signalflanken zugeleitet.

An die Eingänge der Torschaltungen 16 und 17 kann außerdem eine Fehlererkennungslogik 23 angeschlossen sein.

Zur Lagemessung.schaltet bei Meßbeginn der Startimpuls die Gatter 9; 10; 11; 12 durch, so daß der Zähler 15 für die Lagemes3ung zu Beginn die vierfache Taktfrequenz des Takt-

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gebers 13 registriert. Die Vervierfachung ergibt sich .infolge Zusammenfassung der Zählkanäle mit zeitlich versetzten Taktimpulsen. Überschreitet das Signal Ü mit seiner ansteigenden Planke die Schwellspannungen'S-; S₂; S^; S.. so werden entsprechend "nacheinander die Gatter- 9; 10; 11; 12 gesperrt. Nach Überschreiten des Schwellwertes S. erhält der Zähler 15 das Vierfache des Lagemittelwertes als Zählergebnis.

Pur die Anstiegamessung wird der Zähler 22 von zwei Zählkanälen gespeist, die über die Gatter 18; 19 durchgeschaltet werden. Das Gatter 10 wird geöffnet bei S₁< U < S₄, d.h. es wird die Taktzahl zwischen Überschreiben des ersten und vierten !Comparators registriert. Das Gatter 19 wird bei S_?-< U^ So geöffnet. Infolge der gewichteten Bewertung - doppelte Taktfrequenz an Gatter 18 gegenüber Taktfrequenz an Gatter 19 - entsteht als Zählergebnis in Zähler 22 ein mittlerer Wert für den Anstieg der Signalflanke entsprechend der genäherten numerischen Differentiation mit vier Stützstelle"

Claims (2)

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   Erf i ηά ungs ans pr uch

   1. Schaltungsanordnung zur digitalen Messung der örtlichen oder zeitlichen Lage und des Anstiegs der Planken elektrischer Signale unter Verwendung von Komparatoren zum Vergleich der Signale mit Schwellspannungen, von Flip-Flops, logischen Schaltungen und Zählern, gekennzeichnet dadurch daß

   - mehrere, vorzugsweise vier Komparatoren (1; 2; 3; 4) vorgesehen sind, wobei an einem Eingang jedes !Comparators eine der Signalhöhe angepaßte, für jeden Komparator unterschiedliche Schwellspannungen und am zweiten Eingang jedes Komparators das auszumessende Signal liegt;

   - die Ausgänge der Komparatoren je mit dem Rücksetzeingang eines von vier Flip-Flops (5; 6; 7; 8) verbunden sind,

   - die Ausgänge der Flip-Flops je einer Torschaltung (9 j 10; 11; 12) zugeführt sind, und jeweils die zweiten Eingänge jeder Torschaltung mit einer Impulsausgangsleit ung еіпз а Taktgebers (13) verbunden sind;

   - die Ausgänge der Torschaltungen über eine Oder-Schaltung (14) einem Zähler (15) zugeführt sind,

   - das Ausgangssignal des ersten Komparators (1) mit der geringsten Schwellspannung am Setzeingang und das Ausgangssignal des vierten Komparators (4) mit der höchsten Schwellspannung am Rücksetzeingang eines fünften Flip-Flops (16) und das Ausgangssignal des dritten Komparators (3) am Setzeingang urd das Au3gangssignal des zweiten Komparators (2) am Rücksetzeingang eines sechsten Komparators (17) anliegt, wobei die Schwellspannung des dritten Komparators höher ist als die des zweiten,

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   - der Ausgang des fünften Flip-Flops mit dsm ersten Eingang einer fünften Torschaltung (18) und der Ausgang des sechsten Flip-Flops mit dem ersten Eingang einer sechsten Torschaltung (19) verbunden ist, an deren zweiten Eingängen je eine· Impulsausgangsleitung eines zweiten. Taktgebers (20) anliegt, wobei die der fünften und sechsten Torschaltung gelieferten Impulsfolgen im Frequenzverhältnis 2:1 stehen,

   - die Ausgänge der fünften und sechsten Torschaltung (18; 19) üfeer eine aweite Oder-Schaltung (21) einem zweiten Zähler (22) zugeführt sind.

   2„ Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die an den zweiten Singängen der ersten vier Torschaltungen (9; 10; 11; 12) anliegenden Impulsfolgen gleicher Frequenz als auch die an den zweiten Eingängen der fünften und sechsten Torschaltung (18; 19) anliegenden Impulsfolgen, die im Frequenzverhältnis 2:1 stehen, zeitlich gegeneinander versetzt sind«
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   Gm/Kl

   Hierzu 1 Seite Zeichnung

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