DE2156766C3

DE2156766C3 - ImpulsdauermeBvorrichtung

Info

Publication number: DE2156766C3
Application number: DE2156766A
Authority: DE
Inventors: Peter William East Grinstead Sussex East (Grossbritannien)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-11-17
Filing date: 1971-11-16
Publication date: 1979-05-17
Also published as: FR2114021A1; DE2156766A1; GB1274402A; FR2114021B1; US3764911A; DE2156766B2; NL7115632A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Impulsdauermeßvorrichtung, die eine Signalvergleichsschaltung enthält, die einen der zu messenden Impulsdauer entsprechenden Ausgangsimpuls liefert und die mit zwei Eingängen versehen ist, die mit je einem Signalkreis verbunden sind, deren Eingänge an den Impulseingang der Meßvorrichtung angeschlossen sind. Eine derartige Vorrichtung ist bekannt, so z.B. aus der US-PS 35 53 593.

Eine ähnliche Vorrichtung zeigt auch die US-PS

35 19 932. Diese liefert jedoch kernen der zu messenden

Impulsdauer entsprechenden Ausgangsimpuls, auch

enthält sie keine Signalvergleichsschaltung.

Die für die Impulsdauermessung angewandte Technik

besteht darin, daß eine Zeitmeßvorrichtung, die z. B. durch einen Taktimpulsgenerator und einen mit diesem zusammenwirkenden Zähler gebildet wird, von der Vorderflanke des betreffenden Impulses eingeschaltet und von der Hinterflanke dieses Impulses ausgeschaltet

is wird. Im idealen Fall wird die Zeitmeßvorrichtung zu dem Aiifangszeitpunkt der Vorderflanke eingeschaltet und zu dem Anfangszeitpunkt der Hinterflanke ausgeschaltet In der Praxis muß die Vorderflanke selbstverständlich auf einen bestimmten Pegel anstei gen, der genügt, um die Zeitmeßvorrichtung einzuschal ten, und da die Vorderflanke eine endliche Anstiegszeit hat, wird das Einschalten der Zeitmeßvorrichtung verzögert wodurch ein kleiner Fehler herbeigeführt wird. Auf ähnliche Weise wird das Ausschalten der Zeitmeßvorrichtung verzögert, bis die Hinterflanke des Impulses auf den Ausschaltwert abgesunken ist Diese Technik ist besonders befriedigend und ergibt genaue Resultate, wenn die Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulsflanken in bezug auf die Gesamtdauer des

)o Impulses sehr kurz sind.

Bei abnehmender Gesamtimpulsdauer werden die Anstiegs- und Abfallzeiten aber stets wichtiger in bezug auf die Gesamtdauer, während die Meßgenauigkeit abnimmt, wenn die Steilheiten der Vorder- und Hinterflanken nicht symmetrisch sind. Außerdem wird die Genauigkeit bei abnehmender Dauer in zunehmendem Maße von der Form des Impulssignals abhängig. Infolge dieser bei der Messung der Impulsdauer auftretenden Schwierigkeiten hat man für die Impuls dauer die Normaldefinition »Halbhöhen«-Dauer ge wählt, d. h. die Zeitdauer von dem Zeitpunkt, zu dem die Vorderflanke den Halbwert ihres endgültigen Amplitudenpegels erreicht bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Hinterflanke auf den Halbwert abgesunken ist. Die

»5 Anwendung dieser Normaldefinition verringert in erheblichem Maße die oben beschriebenen praktischen

Schwierigkeiten, weil diese Definition — ungeachtet der Anstiegs- und Abfallzeiten — zutrifft. Die bekannten Vorrichtungen der eingangs genann-

5() ten Art weisen aber gewisse Nachteile auf. Die verwendeten Anordnungen sollen genau linear sein, und die Impulshöhe soll nicht begrenzt werden. Dies bedeutet eine Begrenzung des dynamischen Bereichs der Signalpegel, der mit Genauigkeit mit Hilfe der Impulsdauermeßvorrichtung gemessen werden kann. Ferner erfordern diese bekannten Vorrichtungen eine Verzögerungsschaltung mit einer Verzögerungszeit gleich oder länger als die längste erwartete Anstiegszeit. Da diese Verzögerung auch die Hinterflanke des Impulses beeinflußt, kann die Messung nicht vor dem Ende der Verzögerungsperiode beendet werden. Dadurch wird die WiederholungsmeBfrequenz des Systems herabgesetzt, während die Genauigkeit nicht beibehalten werden kann, wenn Impulse mit einer die

·>"> Verzögeriingszeit überschreitenden Anstiegszeit auftreten.

Die Erfindung bezweckt, eine Impulsdauermeßvorrichtung zu schaffen, die für einen großen dynamischen

Bereich des Pegels des Eingangsimpulses geeignet ist, die im wesentlichen von der Form des Signalimpulses unabhängig ist und die sich billig und einfach herstellen läßt

Die Erfindung besteht darin, daiß die Signalvergleichsschaltung eine Schmitt-Kippschaltung ist, daß der erste Signalkreis eine direkte Verbindung ist und daß der zweite Signalkreis einen Impulsformer enthält, wobei die Schmitt-Kippschaltung in ihre aktive Lage kippt, wenn die momentane Eingangsamplitude am ersten Eingang einen ersten bestimmten Betrag, der größer ist als die momentane Impulsformerausgangsamplitude am zweiten Eingang, und wieder zurückkippt, wenn die erwähnten Amplituden um einen zweiten bestimmten Betrag kleiner sind. 1 s

Dabei spricht die Kippschaltung an, wenn das Eingangssignal eine erste Bezugsspannung (V^r) um einen bestimmten Betrag (V\) überschreitet, und die zurückgestellt wird, wenn das Eingangssigna¹ um einen bestimmten Betrag (V?) unter die Bezugsspannung absinkt.

Auf diese Weise wird der Rückstellpunkt der Schmitt-Kippschaltung mit dem Eingangssignalpegel in Obereinstimmung gebracht, so daß die resultierende Ausgangsimpulsdauer gemäß einem großen dynamisehen Bereich annähernd gleich der Signalimpulsdauer ist und von der Form des Signalimpulses nahezu unabhängig ist

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt jo

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Impulsdauermeßvorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein zugehöriges, erläuterndes Spannungs-Zeit-Diagramm und

Fig.3 und 4 verschiedene Ausführungsformen des Impulsformers.

Nach Fig. 1 wird der zu messende Impuls der Klemme IP als Signaleingang für eine Schmitt-Kippschaltung 1 und für einen Impulsformer 2 zugeführt. Der Ausgang der Schmitt-Kippschaltung 1 steuert eine Zeitmeßvorrichtung 3, die aus einem »UND«-Gatter 4 mit zwei Eingängen und aus einem Zähler 5 besteht. An der Ausgangsklemme OP kann der Zählerzustand digital abgelesen werden. Der Ausgang des Impulsformers 2 ist mit einem Bezugsspannungseingang V_ref der Schmitt-Kippschaltung 1 verbunden. Eine Taktpulsquelle ist mit dem zweiten Eingang des »UND«-Gatters 4 verbunden.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 1 wird nun an Hand der in Fig.2 gezeigten Spannungs-Zeit-Diagramme näher erläutert. Wie oben auseinandergesetzt wurde, wird die Schmitt-Kippschaltung gestellt, wenn das Eingangssignal die Bezugsspannung V_nr um einen Betrag Vi überschreitet, während sie zurückgestellt wird, wenn das Eingangssignal um einen Betrag K₂ unter den Bezugspegel V_rci absinkt. Bekanntlich kann die Kippschaltung derart ausgebildet werden, daß sie für Vi und Vz jeden beliebigen vorher bestimmten Wert wählen kann. F i g. 2a zeigt den Verlauf des Eingangsimpulssignals IP, der Bezugsspannung V_rct und des Ausgangssignals 57 der Schmitt-Kippschaltung. In dieser Figur sind auch die Anstiegs- und Abfallzeiten tr bzw. tf des Impulssignals und das Zeitintervall T zwischen trund (/dargestellt.

F i g. 2b zeigt ein kleines Signal und ein großes Signal, wenn der Impulsformer 2 eine einfache Verzögerungsschaltung, wie z. B. eine Spule, ist. Das Eingangssignal wird um einen Betrag D von der Verzögerungsschaltung 2 verzögert, um die Bezugsspannung Vret zu erhalten.

Die Schmitt-Kippschaltung 1 kippt sofort um, wenn das Eingangssignal den Wert V, erreicht, weil infolge der Verzögerung D die Bezugsspannung V_n^ an diesem Punkt gleich Null ist und nicht von der Signalanstiegszeit beeinflußt wird.

Der Rückstellpunkt der Schmitt-Kippschaltung ist von dem Eingangssignalpegel abhängig und wird erreicht, wenn das Eingangssignal um Vt VuIt unter die Bezugsspannung V_n/, d. h. den Pegel des verzögerten Eingangssignals, absinkt

Wenn bei einem kleinen Signal, das gerade das Umkippen der Schallung herbeiführt V\ = Vi ist, wird die Schaltung am Ende der Impulsanstiegszeit gestellt und nahezu am Ende der Impulsabfallzeit zurückgestellt wodurch ein Ausgangsimpuls erhalten wird, dessen Dauer nahezu gleich T+ tf ist Bei sehr großen Signalen wird die Schaltung kurz nach dem Anfang der Anstiegszeit gestellt und kurz nach dem Abfallen des Impulses zurückgestellt (weil Vi und V2 im Vergleich zu der Impulsamplitude klein sind). Die Dauer des Ausgangssignals für große Signale ist somit annähernd gleich T+ tr. Wenn Ir= ff ist Hefen die Schaltung theoretisch einen Ausgangsimpuls gleich der üblichen »Halbhöhen«-Impulsdauer in dem ganzen dynamischen Bereich.

Das Ausgangssignal der Schmitt-Kippschaltung 1 kann auf verschiedene Weise zur Steuerung von Zeitmeßschaltungen verwendet werden, die die Dauer des Ausgangssignals messen. Die Zeitmeßvorrichtung 3 stellt eine geeignete Form einer solchen Vorrichtung dar. Der Ausgangsimpuls der Kippschaltung öffnet das »UND«-Gatter 4, so daß Taktimpulse während der Dauer des Impulses an den Zähler 5 weitergleitet werden können. Das »UND«-Gatter 4 wird am Ende des Impulses gesperrt, wonach der Zählvorgang beendet wird. Die Zählergebnisse, die vorzugsweise in digitaler Form ausgelesen werden können, drücken die Dauer des Impulses direkt in Taktimpulsperioden aus. Die Genauigkeit des Systems hängt von der Taktimpulsperiode ab, die naturgemäß im Vergleich zu der zu messenden Mindestimpulsdauer genügend klein gemacht werden soll, um die erforderliche Genauigkeit zu erzielen.

Aus Fig.2b, die ein kleines Signal zeigt, ist deutlich ersichtlich, daß, wenn die von dem Impulsformer 2 erzeugte Verzögerungszeit D kürzer als die Anstiegszeit ir ist, die Differenzspannung Vi, die zum Stellen der Schmitt-Kippschaltung notwendig ist, nicht erreicht werden wird. Diese Figur zeigt den Grenzfall, in dem die Impulssignalamplitude nur gerade Vi erreicht und in dem die Anstiegszeit gerade gleich der Verzögerungszeit D ist. So ist in dem Grenzfall für das minimale Amplitudensignal die Verzögerung D gleich der maximalen Anstiegszeit, so daß die Verzögerungszeit D vorzugsweise gleich oder größer als diese maximale Anstiegszeit gewählt wird. Außerdem soll die Verzögerungszeit D selbstverständlich kürzer als die Dauer des kürzesten zu messenden Impulses sein, weil V_nf auf die maximale Amplitude des Signals ansteigen muß, bevor die Hinterflanke anfängt. Wenn Signale mit sehr langen Anstiegszeiten, wie die buckeiförmigen Signale, die manchmal bei Hochfrequenzsignalimpulsen auftreten, gemessen werden sollen, muß die Verzögerungszeit D beträchtlich verlängert werden, wodurch die Wiederholungsmeßfrequenz der Vorrichtung herabgesetzt wird. Diese Nachteil kann z. B. durch die Anwendung anderer

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Ausführungsformen des Impulsformers 2 (s. F i g. 3 und 4) behoben werden. Die F i g. 3a und 4a zeigen Blockschaltbilder des Impulsformers 2, während die F i g. 3b und 4b die zugehörigen Spannungen bei langen Anstiegs- und Abfallzciten zeigen.

In Fig. 3a enthält der Impulsformer 2 einen Begrenzer 11, ein Subtraklionsglied 12 und einen Impulsverlängerer 13. Das Impulssignal wird dem Eingang des Begrenzers 11 und einem Eingang des Subtraktionsgliedes 12 zugeführt. Der Ausgang des Begrenzers 11 wird dem anderen (subtrahierenden) Eingang des Subtraktionsgliedes 12 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Eingang des Impulsverlängerers 13 verbunden ist. Der Ausgang des Impulsverlängerers 13 ist mit dem Bezugsspannungseingang VW der Schmitt- !5 Kippschaltung 1 verbunden (s. Fig. 1). Der Begrenzer 11 begrenzt den Pegel des Impulssignals auf einen Wert gleich oder etwas größer als den Betrag Vi, und das auf diese Weise erhaltene begrenzte Signal wird in dem Subtraktionsglicd 12 von dem Impulssignal subtrahiert. 2C Das Ausgangssignal des Subtraktionsgliedes 12 ist bei (i) in Fig.3b dargestellt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß das Impulssignal V_ref den Betrag Vi während der Anstiegszeit überschreitet und auf diese Weise sicherstellt, daß die Schmitt-Kippschaltung unabhängig von der Anstiegszeit gestellt wird. Auf der Hinterflanke kreuzen das Impulssignal und die Bezugsspannung V_rei einander aber nicht, so daß das Impulssignal nicht um den Betrag V2 unter die Bezugsspannung V_n/ absinkt, was zum Rückstellen der Kippschaltung erforderlich ist. Das Bezugssignal wird daher an seiner Hinterflanke von dem Impulsverlängerer 13 verlängert; der Verlauf der so erhaltenen Spannung ist (bei H) in F i g. 3b dargestellt. Naturgemäß kann die Verzögerungszeit auch etwas verlängert werden, um die Empfindlichkeit für kleine Signale zu verbessern und um den Impulsverlängerungseffekt zu vergrößern.

Eine geeignete Ausführungsform eines Impulsverlängerers, mit dessen Hilfe die Abfallzeit verlängert wird, ohne daß die Anstiegszeit im wesentlichen Maße *o beeinflußt wird, ist in Fig.3c dargestellt und enthält einen als Emitterfolger geschalteten Transistor und einen mit dem Emitterwiderstand R ein paralleles ÄC-Netzwerk bildenden Kondensator. Wenn der Widerstand R groß (z. B. 1000 Ω) im Vergleich zu dem «5 Widerstand (z.B. 10Ω) des Transistors im leitenden Zustand ist, wird die Hinterflanke stärker (z. B. etwa lOOmal stärker) als die Vorderflanke verlängert, wie aus den Spannungs-Zeit-Diagrammen hervorgeht.

Auch kann statt des Begrenzers und der Subtraktionsvorrichtung eine Reihenspannungsschwelle zwischen dem Eingang des Impulsverlängerers 13 und dem Eingang des Impulsformers 2 angeordnet werden. In diesem Fall wird ebenfalls ein fester Betrag von der Impulsamplitude subtrahiert und werden die Kurven der Fig.3 ebenfalls erhalten. In gewissen Fällen kann diese Schwelle durch eine Zener-Diode gebildet werden.

Obgleich die Vorrichtung nun von der Anstiegszeit nahezu unabhängig ist, kann der Impulsverlängerungseffekt noch leicht eine Herabsetzung der Wiederholungsmcßfrequenz der Vorrichtung herbeiführen. Eine bevorzugte Ausführungsform, bei der diese Wiederholungsmeßfrequenz nicht beeinflußt wird, ist in Fig.4a dargestellt. Nach dieser Figur enthält der Impulsformer 2 ein Differentierglied 21, dessen Ausgang über einen Begrenzer 22 dem subtrahierenden Eingang eines Subfraktionsgliedcs 23 zugeführt wird. Der Signalimpuls wird dem Eingang des Differentiergliedes 21 und dem Subtraktionsglied 23 zugeführt, wie dies auch bei der vorangehenden Ausführungsform der Fall ist. Das Differentiierglied 21 differentiiert die Vorder- und Hinterflanken des Impulssignals, während die von großen Eingangssignalen erzeugten Spitzen von dem Begrenzer 22 begrenzt werden, welcher kleine Signale oder lange Anstiegs- und Abfallzeiten nicht oder kaum beeinflußt. Jedes Ausgangssignal wird in dem Subtraktionsglicd 23 von dem Impulssignal subtrahiert. Die betreffenden Spannungs-Zeit-Diagramme sind in Fig. 4b mit a, b und r bezeichnet. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß sogar für die dargestellten langen Anstiegs- und Abfallzeiten die zum Erhalten von Vi und V2 erforderlichen Verzögerungen erzielt werden, ohne daß die Wiederholungsmeßfrequenz der Vorrichtung herabgesetzt wird. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß es günstig sein kann, wenn, gleich wie bei der ersten Ausführungsform, eine Verzögerungszeit D hinzugefügt wird.

Die mit einer Vorrichtung nach der Erfindung erhaltene Genauigkeit ist größer als ± trll in einem dynamischen Eingangsbereich von 40 dB — ungeachtet der Form der Spannung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Impulsdauermeßvorrichtung, die eine Signalvergleichsschaltung enthält, die einen der zu messenden Impulsdauer entsprechenden Ausgangsimpuls liefert und die mit zwei Eingängen versehen ist, die mit je einem Signalkreis verbunden sind, deren Eingänge an den Impulseingang der Meßvorrichtung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalvergleichsschaltung eine Schmitt-Kippschaltung (1) ist, daß der erste Signalkreis eine direkte Verbindung ist und daß der zweite Signalkreis einen Impulsformer (2) enthält, wobei die Schmitt-Kippschaltung (1) in ihre aktive Lage kippt, wenn die momentane Eingangsamplitude am ersten Eingang einen ersten bestimmten Betrag (V\), der größer ist als die momentane lmpu!sformerausgangsamplitude am zweiten Eingang, und wieder zurückkippt, wenn die erwähnten Amplituden um einen zweiten bestimmten Betrag (Vy kleiner sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer (2) eine Verzögerungsschaltung ist, die den zu messenden Impuls in der Zeit verzögert

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer (2) eine Reihenspannungsschwelle und einen Impulsverlängerer (13) enthält und daß die Reihenspannungsschwelle einen festen Spannungsbetrag von dem Eingangsimpuls subtrahiert und der Impulsverlängerer (13) die Steilheit der abfallenden Flanke des Impulses aus der Reihenspannungsschwelle herabsetzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer eine Parallel-Spannungsschwclle (11), eine Subtraktionsvorrichtung (12) und einen Impulsverlängerer (13) enthält, daß die Parallel-Spannungsschwelle (U) den Eingangsimpuls auf einen festen Spannungswert begrenzt und daß ein Eingang der Subtraktionsvorrichtung (12) an die Parallel-Spannungsschwelle (11) angeschlossen ist, dem anderen Eingang der Eingangsimpuls zugeführt wird und der Ausgang mit dem Impulsverlängerer (13) verbunden ist, der die Steilheit der abfallenden Flanke des Impulses aus der Subtraktionsvorrichtung (12) herabsetzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsverlängerer (13) einen Emitterfolger (TR) enthält, in dessen Emitterkreis ein Widerstand (R) angeordnet ist, der von einem Kondensator (C) überbrückt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformer (2) ein den Eingangsimpuls differentiierendes Differentiierglied (21) und eine Subtraktionsvorrichtung (23) enthält, die ein Signal entsprechend dem Eingangsimpuls abzüglich des differentiierten Eingangsinipulses liefert.