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"Verfahren und Anordnung zur Frequenzmessung"
Verfahren
und Anordnung zur Frequenzmessung Es sind bereits verschiedene Frequenzmeßverfahren
bekannt. Ein bekanntes Verfahren arbeitet nach dem Prinzip, daß die innerhalb einer
bekannten Referenzzeit (Meßzeit) auftretende Zahl der Schwingungen der zu bestimmenden
Frequenz gezählt und das Zählergebnis dargestellt wird. Bei diesem Meßprinzip ist
die Genauigkeit der Messung proportional dem Produkt aus Frequenz und Meßzeit. Dieses
Meßprinzip ist nicht geeignet zur genauen Messung von tiefen Frequenzen, da hierbei
die erforderlichen Meßzeiten sehr groß sein müssen.
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Um diese Nachteile zu vermeidenwurde bereits ein Frequenzmeßverfahren
entwickelt, bei welchem eine Periodendauer Tp der zu bestimmenden Frequenz gemessen
und anschließend durch Lösen der Gleichung
die unbekannte Frequenz ermittelt wird. Die Meßzeit beträgt bei diesem Verfahren
i.a. eine Periodendauer.
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Zur Lösung der obengenannten Gleichung wird ein digitales Rechenverfahren
verwendet. Dieses ist sehr aufwendig und teuer.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Rechenverfahren und eine
Anordnung zur Lösung der genannten Gleichung zu finden, welche weniger aufwendig
sind als das zuletzt erwähnte Verfahren.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzmessung, das darauf
beruht, daß die Periodendauer einer zu bestimmenden Frequenz gemessen und aus dem
D'eXerebnis anschließend durch Umrechnung die unbekannte Frequenz vermittelt wird.
Die Erfindung betrifft weiter eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem ersten
Schritt eine konstante Größe X über die Zeitdauer von einer oder ein konstantes
Vielfaches einer Periodendauer der zu messenden Frequenz integriert wird und daß
in einem- zweiten Schritt das Ergebnis der Integration des ersten Schrittes nochmals
integriert wird, wobei die Steilheit des Signals aus der zweiten Integration bereits
proportional zu der zu messenden Frequenz ist und daß die Steilheit dadurch bestimmt
wird, daß eine Zeit Tf gemessen und ausgewertet wird, die das Signal der zweiten
Integration benötigt, um eine zur konsta.nten Größe X proportionale Signaldifferenz
zu durchlaufen.
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Die erfindungs gemäße Schal tungs anordnung- zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden an einem Beispiel beschrieben. Diese
Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß eine konstante Spannung über einen
ersten Schalter, der bei Beginn einer 14-essung während einer Periodendauer oder
deren konstantes Vielfaches der zu messenden Frequenz geschlossen ist, auf einen
Eingang eines invertierenden Integrators geführt wird und daß dessen Ausgang über
einen zweiten Schalter, der am Ende der Feriodendauermessung öffnet und wieder schließt,
wenn der gesamte Meßvorgang beendet ist, mit einem Speicherkondensator und einem
daran angeschlossenen Impedanzwandler verbunden ist, dessen Ausgang über einen dritten
Schalter, der normalerweise geschlossen und nur während der obengenannten Periodendauer
geöffnet ist, wieder auf den Eingang des genannten Integrators geführt ist und daß
der Ausgang des Integrators mit einem Eingang eines XomFarators verbunden ist, der
so ausgebildet ist, daß er nur dann ein Ausgan~s3iSnal liefert, wenn sein Eingangssignal
gröber als ein unterer
Spannungsschwellwert und kleiner als ein
oberer Spannungsschwellwert ist, wobei die Differenz der beiden Schwellwerte proportional
zur erstgenannten, konstanten Spannung ist und daß der Ausgang des Komparators mit
einem Eingang eines Gatters verbunden ist, welches zu Beginn eines Meßvorgangs öffnet
und erst dann wieder schließt, wenn die Integratorausgangsspannung den oberen Schwellwert
des Komparators erreicht und daß die zeitliche Länge des am Ausgang des Gatters
auftretenden Impulses von einer geeigneten und entsprechend geeichten Anzeigevorrichtung
dargestellt wird und daß die Steuerung der erwähnten Schalter und des Gatters von
einer Steuereinheit erfolgt, die als Eingangssignale einen die Messung auslösenden
Impuls, die unbekannte Frequenz und das Komparatorausgangssignal erhält.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in den Zeichnungen
näher beschrieben.
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Fig. 1 stellt das Blockschaltbild einer Anordnung gemäß der Erfindung
dar.
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Fig. 2 zeigt den zeitlichen Ablauf eines Meßvorganges.
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Fig. 3 ist ein Teil des Blocksohalibildes, welches Einzelheiten der
Fia, 1 darstellt.
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Fig. 1 stellt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles des
erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Eine Eingangsklemme E, an welcher die Spannung
U anliegt, ist über einen Schalter 10 mit dem Eingang eines Intergrators 11, vorzusweise
einem integrierenden Operationsverstärker, verbunden. Der Ausgang des Integrators
ist seinerseits wiederum über einen Schalter 12 mit den freien Ende eines geerdeten
Xondensatora 13 und dem hochohmigen Eingang eines Impedanzwandlers 14 verbunden.
Der niederohmige Ausgang des Impendanzwandlers 14. führt über einen Schalter 15
wieder auf den Eingang des Integrators 11. ueber eine weitere Leitung ist der Ausgang
des Integrators 11 mit dem Eingang eines Spgnnungskoparators 16-ver.bundn, Der Spannungskomparator
16 ist mit swel weiteren Eingängen S1 und E2 versehen, die mit den Detektionsniveauspannungen
U1 und U2 beaufschlagt sind. Die Differenz tF2 - U1 der Detektion3niveau3pannunen
wird vorzugsweise von der an Klenme E anliegenden Spannung U hergeleitet in der
leise, daß U2 - U1 proportional zu U ist.
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Dies erreicht man im einfachsten Fall dadurch, daß die Eingangsklemme
E1 des tonparstors 16 auf Nuilpotential gelegt wird und die Eingangsklemne E2 direkt
oder über ein lineares Übertragungsglied von der Spannung U gespeist wird. In seiner
Funktion ist der Komprator 16 so ausgelegt, daß er nur dann ein Ausgangssignal S16
abgibt, wenn die Komparatoreingangsspannung Uo der nachfolgenden Bedingung genügt:
U1 < U0 o< U2 (1) Der Ausgang des Komparators 16 führt auf einen Eingang eines
Und-Gatters 17. Der Ausgang des Und-Gatters 17 ist mit der Ausgangsklemle A verbunden.
Die zeitliche Steuerung eines Xeßvorganges erfolgt durch eine dafür vorgesehene
Steuereinheit 18. Die Steuereinheit 18 ist mit zwei Eingangsklemmen E3 und E4 versehen.
Die Eingangsklemme E3 ist hierbei mit der zu messenden Frequenz f beaufschlagt,
wXhrend über die Eingangsklemme E4 zu einem gewünschten Zeitpunkt von einem Startsignal
S ein Meßvorgang ausgelöst werden kann. Steuerleitungen verbinden die Zeitsteuereinheit
18 mit den zu steuernden Schaltern 10, 12 und 15, mit einem zweiten Eingang des
Und-Gatters 17 sowie mit dem Ausgang des Komparators 16.
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Die Funktion der in Fig. 1 dargestellton anordnung wird anhand von
Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf von Spannungen und Steuersignalen
währen eines Meßvorganges dargestellt. In Kurve 1 von Fig. 2 ist das Startsignal
S, welches einen Meßvorgang auslöst, dargestellt. Kurve 2 zeigt die zu messende
Frequenz f. In den Kurven 3, 4 und 5 sind die Steuersignale S10, 512 und S dargestellt.
Diese Signale steuern dann Schalter 10, 12 und 15 und sind identisch mit den
Schließzeiten
der Schalter. Kurve 6 zeigt die Ausgangsspannung des Integrators 11. Das Ausgangssignal
5A der Anordnung an der Ausgangsklemme A ist in Kurve 7 und das Steuersignal S17
schließlich, das den zweiten Eingang des Und-Gatters 17 steuert, ist in Kurve 8
der gestellt.
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Aus den Kurven 3, 4 und 5 ist ersichtlich, daß tor Beginn eine.
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Neßvorganges zum Teitpunkt t0 der Schalter 10 geöffnet und; die Schalter
13 und 15 geschlossen sind. Diese Schalterstellung ist in fig. 1 dargestellt und
zeigt, daß der Signalkreis, gebildet aus dem Unter grator. 11, dem Schalter 12,
dem Kondensator 13, dem impedanzwandler 14 und dem Schalter 15 geschlossen ist.
Innerhalb dieses Kreises besitzt nur der Integrator 11 eine negative ttertragungsfunktion.
Der Impedanzwandler weist einen positiven Ubertragungsfaktor, vorzugsweise +1, auf.
Das bedeutet-jedoch, daß sich der Signalkreie auf Null abgleicht.
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Dadurch ist gewährleistet, daß jeder Meßvorgang mit den gleichen Anfangstedingungen
beginnt.
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Zum Zeitpunkt t0 wird ein Meßvorgang durch den Startimpule S gestartet.
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Dieser Startimpuls kann, wenn zyklische Messungen durchgeftihrt werden
sollen, von einem Impulsgenerator geliefert werden. Der Startimpule S bereitet die
Steuereinheit 18 für die Messung einer Periodendauer der Frequenz f, abgebildet
in Fig. 2 Kurve 2, vor. Die Perioden dauer beginnt z.B. zum Zeitpunkt t1 und endet
zum Zeitpunkt t2. Zum Zeitpunkt t1 wird von der Steuereinheit 18 der Schalter 10
geschlossen und der Schalter 15 geöffnet.
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Der Schalter 10 verbindet den Eingang des Integrators 11 mit der zeitlich
konstanten Spannung U. Dadurch steigt die Integratorausgangsepannung U0 zur Eingangsspannung
U entgegengesetzt und über der Zeit linear an. Zun Zeitpunkt t2 wird der Schalter
10 geöffnet. Damit ist der erste Meßschritt beendet. Die Integratorausgangsspannung
U0 ist dann:
Hierbei stellt T1 die Integrationszeitkonstante und t2 - t1 die Periodenzeit Tp
dar, Gleichung (2) läßt sich somit umschreiben.
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Gleichung (4) zeigt, daß die integratorausgangsspannung U01 proportional
ist zur Periodenzeit Tp.
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Der zweite lIeßschritt beginnt zum Zeitpunkt' rr3. Die konstante Zeitdifferenz
t - t2 ist vorgesehen, um evtl. vorhandene Einschwtng-3 vorgänge abklingen zu lassen.
Die Zeitdifferenz kann aber auch Null betragen, d.h., die Zeitpunkte t3 und t2 stimmen
dann überein.
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Zum Zeitpunkt t3 besitzt die Ausgangsspannung U0 des Integrators 11
den Wert U01. Der Kondensator 13 ist auf den gleichen Spannungswert aufgeladen.
Zum Zeitpunkt t3 wird von der Steuereinheit 18 der Schalter 12 geöffnet und der
Schalter 15 geschlossen. An Eingang des
Integrators 11 erscheint
nun über den Schalter 15, den Impedanzwandler 14 die Kondensatorspannung U01 des
Kondensators 13, die für den infrage kommenden eitraum des zweiten Meßschrittes
als konstant angesehen werden kann. Infolge dieser Eingangsspannung steigt die Integratorausgangsspannung
U0 zur Eingangsspannung U01 entgegengesstzt und über der Zeit linear an. Zum Zeitpunkt
t4 ist die Integratorausgengespannung U0 so groß wie die Detektionsveauspannung
U1 des Kom- -parators 16. Der Komparator 16 schaltet und erzeugt dadurch an seinem
Ausgang das Ausgangssignal S16. Dieses Ausgangssignal erscheint auch an der Ausgangsklemme
A, da die Steuereinheit das Und-Gatter 17 zum Zeitpunkte bereits mit dem Steuersignal
S17 für das Komparatorsignal S16 durchlässig gemacht hat. Zun Zeitpunkt t5 ist die
Ausgangs spannung U0 des Integrators ii so groß wie die Detektionsniveauspannung
U2. Damit schaltet der Komparator 16 zu diesem Zeitpunkt t5 zurück und sein Ausgangssignal
S16 und damit das Ausgangssignal an Klemme A wird zu Null.
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Der an der Äusgangsklemrie A erscheinende Impuls besitzt somit die
zeitliche Länge t5 - t4. Aus den vorangegangenen Angaben und unter der Bedingung,
daß U1 " O und U2 U U ist, läßt sich die Zeitdifferenz t5 - t4 - Tberechnen.
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Es ist:
Setzt man Gleichung (4) in Gleichung (7) ein, dann erhält nan:
Gleichung (8) zeigt, daß die Zeit T proportional zum Quadrat der Integrationszeitkonstanten
T1 und umgekehrt proportional zur Periodenzeit Tp ist. Das bedeutet aber, daß die
Zeit T proportional zur Frequenz f ist, denn es gilt:
Gleichung (H) in Gleichung (9) eingesetzt ergibt
Die zu messende Frequenz kann somit durch messen der Zeit T unter erücksichtigung
des Proportionalitätsfaktors K/T1² bestimmt werden.
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Das messen der Zeit T kann durch bekannte Zeitmeßeinrichtungen, die
auf analoger oder digitaler Basis arbeiten, erfolgen.
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Damit die Anordnung wieder in ihre Ruhelage zurückkehrt, muß ledilich
der Schalter 12 geschlossen erden. Der Zeitpunkt hierfür ist nicht kritisch. Vorzugsweise
wird für dieses Kommando das Zurückkippen des Komparators 16 zum Zeitpunkt t5 herangezogen.
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In Fig. 1 ist dies durch die Verbindungsleitung zwischen dem ,çusgan,,
des Komparators 16 und der Steuereinheit 18 anGedeutet.
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Damit en der Ausgangsklemme A während des ZurUckkehrens der Anordnund
in ihre Ruhelage kein Signal mehr erscheint, ist es notwandig, daß die Steuereinheit
ie über das Signal S17 das Und-Gatter 17 sperrt.
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In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Steuereinheit 18 dargestellt.
Sie besteht nit Ausnahme eines Schnitt Trigger6 20, der zur Impulsform ung dient,
aus digitalen Schaltkreisen. Die Funktion der Steuereinheit 18 ist folgende: Über
den Eingang E5 kippt der Startimpuls S ein Plip-Plop 22 in Stellung 0. Dadurch springt
der invertierte Ausgang des Flip-Flop 22 vomPegel O auf den Pegel L. Dieses Signal
gelangt auf den K-Eingang eines Zähl-Flip-Flop 21, dessen Ruhelage die Nullage ist.,
Das, Flip-Flop 21 ist damit in der Lage, den inversen Zustand anzunehmen, wenn der
Pegel des Schmitt-Triggers 20 z.B. von L an 0 springt, was zu den Zeitpunkten t1
und t2 der Fall ist. Das Flip-Flop 21 kippt somlt zum Zeitpunkt t1 in die Stellung
L und zum Zeitpunkt t2 wieder in die Stellung Der Ausgangsimpuls des Flip-Flops
21 zum Zeitpunkt t2 kippt jedoch das Flip-Flop 22 in Ruhestellung L , wodurch Flip-Flop
21 über den Eingang an einem weiteren Kippen verhindert wird.
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Flip-Flop 21 gibt somit nur einen einzigen Impuls von der zeitlichen
Länge einer Periodendauer Tp der zu messenden Frequenz ab. Dieser Impuls S10 dient
direkt zur Ansteuerung des Schalters 10 der inverse Impuls S15 kann zur Steuerung
des Schalters 15 herangezogen werden, wenn die Zeitpunkte t3 und t2 Ubereinstimmen.
Der Impuls S15 kippt.
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außerdem ein aus den invertierenden Gattern 23 und 24 gebildete Flip-Flop
in Stellung L. essen Signal entspricht dem Signal S17' welches zur Steuerung des
Gatters 17 dient. Aus den Signalen S15 snd 617 wird mit Hilfe eines invertierenden
Und-Gatters 25 das Signal S12 gebildet. das den Schalter 12 steuert. Das Signal
S16 des tomparatore 16 wird über einen differenzierenden Kondensator 26 auf den
Rücksteileingang des aus den Gattern 23 und 24 gebildeten Flip-Flops geführt. Dalu-cll
wird erreicht, daß an Ende der dessen; beirn Zurückkipen des Signals S16 vom Pegel
L auf den Pegel 0 den Ausgangslage des Flip-Flops bestehend aus den Gattern 23/24
wieder hergestellt wird.