DE2729422C2

DE2729422C2 - Schaltungsanordnung zur Impulsbreitenmessung

Info

Publication number: DE2729422C2
Application number: DE2729422A
Authority: DE
Inventors: Wilfried 7853 Steinen Sartorius; Don John Rotrigo Dr. 7860 Schopfheim Stock
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1977-06-29
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1982-06-24
Also published as: IT1096875B; DE2729422A1; GB1578426A; IT7825137A0; FR2396308A1; NL7806824A; FR2396308B1; SE431803B; BE868558A; US4223267A; CH629895A5; JPS5418785A; SE7807334L

Description

Die Erfindung bezieht sieh auf eine Schaltungsanordnung zur impülsbreitenmessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der US'PS 35 53 593 bekannten Anordnung dieser Art dient der gleiche Schwellenwert-Trigger zur Auslösung und Stillsetzung der Impulsbreitenmessung, wobei in beiden Fällen die gleiche, Vom Momentanwertspeicher gelieferte Schwellenspannung verwendet wird. Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Schwellenspannung gleich der Hälfte des gespeicherten Impulsamplitudenwertes ist, wird die Impülsbreitenmessung auf halber Höhe der ansteigenden Impulsflanke ausgelöst und auf halber Höhe der abfallenden Impulsflanke stillgesetzt, wenn vorausgesetzt wird, daß nach dem Ende der abfallenden Flanke die gleiche Signalspannung besteht wie vor dem

ίο Beginn der ansteigenden Flanke. Auf diet.·; Weise werden Meßfehler infolge von verschliffenen Impulsflanken oder schwankenden Impulsamplituden vermieden.
Auf bestimmten Anwendungsgebieten ist es aber erforderlich, die Breite von Impulsen zu messen, deren Signalspannung nach dem Ende des Impulses nicht wieder auf den vor dem Beginn des Impulses bestehenden Anfangswert fällt, sondern auf einen davon verschiedenen Wert. In diesem Fall kann es bei der bekannten Anordnung zu Meßfehlern kommen, weil die der halben Höhe der ansteigenden Flanke entsprechende Schwellenspannung nicht auf der halben Höhe der abfallenden Flanke liegt Es kann sogar vorkommen, daß die Impulsbreitenmessung an der abfallenden Flanke überhaupt nicht beendet wird, weil die Schwellenspannung nicht unterschritten wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung zur Impulsbreitenmessung, die auch dann stets eine richtige Impulsbreitenmessung ergibt, wenn die Signalspannung nach dem Ende des Impulses einen anderen Wert als vor dem Beginn des Impulses hat.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteranspüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt die Wirkung, daß die Impulsbreitenmessung in dem Zeitpunkt beendet wird, in welchem die Signalspannung gerade auf der halben Höhe der abfallenden Flanke liegt, und zwar auch dann, wenn die Signalsp°nnung am Ende der abfallenden Flanke auf einem von Null oder vom Anfangswert verschiedenen Wert liegt Damit ist eine richtige Messung der Impulsbreite unabhängig von den Werten der Signalspannung vor und hinter jedem Impuls gewährleistet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. I Diagramme zur Erläuterung der bei der Impulsbreitenmessung auftretenden Meßfehler,

F i g. 2 eine Schaltungsanordnung zur impülsbreitenmessung, mit welcher die an Hand von Fig. 1 erläuterten Meßfehler vermieden werden, und

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung von Fig.2.

Das Diagramm A von F i g. 1 zeigt einen Rechteckimpuls der Breite Γ und der Amplitude V's ι. Der Impuls beginnt im Zeitpunkt t₃ und endet im Zeitpunkt Ic. Die Messung der Impulsbreite Tkann dadurch erfolgen, daß im Zeitpunkt t_a ein Zähler in Gang gesetzt wird, der Taktimpulse genormter Folgefrequenz zählt und im Zeitpunkt t_e stillgesetzt wird. Die Anzahl der gezählten Impulse ist dann ein Maß für die Impulsbreite T. Die Steuerung des Zählers kann beispielsweise durch einen Schwellenwert-Trigger erfolgen, der den Zähler in Gang setzt, wenn die Signalspannung Vs einen fest eingestellten Schwellenwert Vn übersteigt, und der den Zähler wieder stillsetzt, wenn die Signalspannuhg wieder unter den Schwellenwert VtR fällt Bei senkrech-

ten Impulsflanken stimmen diese Zeitpunkte genau mit dem Anfangszeitpunkt U bzw. dem Endzeitpunkt t_e des Impulses zusammen, so daß die Messung der Impulsbreite Tonne Meßfehler erfolgt Diese Messung würde auch dann einwandfrei erfolgen, wenn sich die Impulsamplitude Vs ι ändert oder wenn die Signalspannung am Ende des Impulses nicht auf den Anfangswert (der bei dem gezeigten Beispiel der Wert 0 ist) abfällt, sondern auf einen anderen Spannungswert Vs 2, vorausgesetzt, daß der Schwellenwert Vtr zwischen den Spannungswerten Ks 1 und Vs 2 liegt

Infolge der begrenzten Bandbreite des Übertragungssystems und/oder des Meßsystems stehen jedoch für die Impulsbreitenmessung gewöhnlich nicht Rechteckimpulse mit senkrecht ansteigenden und abfallenden Flanken zur Verfügung; durch die vorhandenen Zeitkonstanten werden die Impulse verschliffen, so daß ihre Impulsflanken exponentiell ansteigen und abfallen, wie im Diagramm der F i g. 1 gestrichelt angedeutet ist

In den Diagrammen B, C und D von F i g. 1 sind die Meßfehler dargestellt die auftreten können, wenn die Impulsflanken verschliffen sind. Zur Vereinfachung sind in diesen Diagrammen die Impulsflanken p^:cht exponentiell, sondern linear dargestellt

Wie aus dem Diagramm B zu erkennen ist, entspricht die gemessene Impulsbreite T_n, nur dann genau der Impulsbreite T des ursprünglichen Rechteckimpulses, wenn der Schwellenwert Vtr, bei welchem der Zähler in Gang gesetzt und wieder stillgesetzt wird, genau auf halber Höhe der ansteigenden und der abfallenden Flanke liegt Bei einem höherliegenden Schwellenwert V'tr ist die gemessene Impulsbreite T'_m zu kurz, und bei einem niedriger liegenden Schwellenwert V'tr ist die gemessene Impulsbreite T"_m zu lang.

Wie das Diagramm C von F i g. 1 zeigt, können bei einem fest eingestellten Schwellenwert Vtr Meßfehler auch dann entstehen, wenn die Impulsamplitude Schwankungen unterworfen ist Wenn der Schwellenwert Vtr beispielsweise so eingestellt ist, daß er für einen Impuls mit der Amplitude Vs 1 auf der halben Höhe der Flanken liegt und somit die gemessene Impulsbreite T_n, dem richtigen Wert Tentspricht, ergibt der gleiche Schwellenwert Vtr für einen anderen Impuls mit der Amplitude V'_s 1 eine unrichtige Impulsbreite T_n*

Das Diagramm D von F1 g. 1 zeigt den Meßfehler, der dadurch verursacht werden kann, daß die Signalspannung am F.nde des Impulses nicht ruf den Anfangsdiesem Fall die impulsbreite nach dem zuvor geschilderten Prinzip mit einem einzigen fest eingestellten Schwellenwert Vtr 1 gemessen wird, der auf der halben Höhe der ansteigenden Flanke lieg», ist die gemessene Impulsbreite T'_m zu groß. Damit in diesem Fall ein Meßfehler vermieder wird, muß dpr Schwellenwert Vtr 2, bei welchem der Zähler stillgesetzt wird, auf der halben Höhe der abfallenden Flanke liegen und somit von dem Schwellenwert V_7l? verschieden sein.

In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, mit welcher die zuvor geschilderten Meßfehler vermieden werden.

Es wird angenommen, daß die zu messenden Impulse von einem Impulssender 1 geliefert werden und nach Empfang durch einen Impulsempfänger 2 und Verstärkung in einem Verstärker 3 in der verschliffenen Form mit schräg bzw, exponentiell ansteigenden Und abfallenden Flanken vorliegen, Zur Messung der Impulsbreite werden die am Ausgang des Verstärkers 3 erscheinenden Impulse mit der Amplitude Vs dem Signaleingang eines SchwellenweruTriggers 4 zugeführt, an dessen Schwellenspannungseingang eine Schwellenspannung Vtr ι Hegt Sobald die ansteigende Flanke des Impulses die Schwellenspannung Vtr 1 übersteigt, gibt der Schwellenwert-Trigger 4 ein Signal ab, das ein^n Taktimpulszähler 5 in Gang setzt Der Taktimpulszähler 5 empfängt an seinem Zähleingang Taktimpulse, die von einem Taktimpulsgenerator 6 mit konstanter Folgefrequenz geliefert werden. Die Folgeperiode der Taktimpulse ist ausreichend klein gegen die zu messenden Impulsbreiten, so daß eine der gewünschten Meßgenauigkeit entsprechende Anzahl von Taktimpulsen während der Dauer jedes Impulses im Taktimpulszähler 5 gezählt werden.

Die vom Ausgang des Verstärkers 3 gelieferten Impulse weden außerdem dem Signaleingang eines zweiten Schwellenwert-Triggers 7 zugeführt, an dessen Schwellenspannungseingang eine Schwellenspannung Vtr 2 Hegt Wenn die Spannung an der abfallenden Impulsflanke unter die Schwellenspannung Vn? 2 fällt, gibt der Schwellenwert-Trigger 7 ein Signal ab, das den Taktimpuiszähler 5 stillsetzt Die Anzahl der im Taktimpulszähler 5 gezählten Impure ist dann ein Maß für die Impulsbreite; der Zählerstand d^s Zählers 5 und damit die Impulsbreite kann in einer Anzeigevorrichtung 8 angezeigt werden.

Die bisher beschriebenen Schaltungsteile zur Messung d_r Impulsbreite durch Zählung von Taktimpulsen ergeben die an Hand von F i g. 1 erläuterten Meßfehler, wenn die Schwellenspannungen Vtr 1 und Vtr 2 einen fest eingestellten Wert haben.

Der nachstehend beschriebene Teil der Schaltungsanordnung von F i g. 2 ergibt eine fortlaufende Einstellung der Schwellenspannungen Vtr ι und Vtr 2 in der Weise, daß die geschilderten Meßfehler vermieden werden und die Messung der Impulsbreite stets genau erfolgt.

Zu diesem Zweck wenden die vom Verstärker 3 abgegebenen Impulse an den Steuereingang einer Torschaltung 9 angelegt die am Signaleingang die vom Taktimpulsgenerator 6 gelieferten Taktimpulse empfängt und deren Ausgang mit dem Eingang eines weiteren Taktimpulszählers 10 verbunden ist. Der Taktimpulszähler 10 wird durch eine nicht dargestellte Anordnung vor Beginn jeder Messung so eingestellt, daß er nach Zählung einer festgelegten Anzahl von Taktimpulsen kurzzeitig einen Schalter 11 «chließt, der zur Verdeutlichung als mechanischer Kontakt dargestellt ist, in Wirklichkeit aber gewöhnlich ein elektronischer Schalter ist. Der Schalter 11 verbindet einen Momentanwertspeicher 12 kurzzeitig mit dem Ausgang des Verstärkers 3. Der Momentanwertspeicher 12 ist eine in der angelsächsischen Literatur unter der Bezeichnung »sample & hold detector« bekannte Schaltung, die eine kurzzeitig angelegte Spanning abtastet und den Abiastwert bis zu der nächsten AbtcStung speichert Der Momentanwertspeicher 12 hält somit den im Augenblick des Schließen⁰ des Schalters 11 bestehenden Augenblickswert der Impulsspannung fest.
An den Ausgang des Momentanv/ertspeichers 12 ist ein Spannungsteiler 13 angeschlossen, der aus zwei gleichen Widerständen R\ und /?? besteht. Die am Abgriff des Spannungsteilers 13 bestehende Spannung wird als Schwellenspannung Vtr ι an den Schwellen^ spannüngseingang des Schwellenwert-Triggers 4 angelegt

An den Ausgang des Momentanwertspeichers 12 ist ferner ein zweiter Spannungsteiler 14 angeschlossen, der aus zwei Widerständen Ri und R\ besteht, wobei der

Widerstand Rj wesentlich kleiner als der Widerstand /?₄ ist. Am Abgriff des Spannungsteilers 14 wird somit eine Spannung abgegriffen, die nur geringfügig kleiner als die im Momentanwertspeicher 12 gespeicherte Augenblicksspannung ist. Diese Spannung wird als Schwellenspannung Vtr 3 dem Schwellenspannungseingang eines Schwellenwert-Triggers 15 zugeführt, dessen Signaleingang die vom Verstärker 3 abgegebenen Impulse empfängt. Der Schwellenwert-Trigger 15 ist so ausgelegt, daß er an seinem Ausgang eine Spannung liefert, jo 'ivenn die am Signaleingang liegende Impulsspannung unter dem Wert der Schwellenspannung Vtr ι liegt. Diese Spannung wird an den Sleuereingang einer Torschaltung 16 angelegt, die an ihrem Signaleingang die Taktimpulse des Taktimpulsgenerators 6 empfängt, is Der Ausgang der Torschaltung 16 ist mit dem Zähleingang eines Taktimpulszählers 17 verbunden. Der Taktimpulszähler 17 ist, ähnlich wie der Taktimpulszähler 10, so ausgebildet, daß er vor Beginn jeder Messung auf einen vorgegebenen Zählerstand eingestellt wird und an seinem Ausgang ein Signal abgibt, wenn die Anzahl der gezählten Impulse dem voreingestellten Zählerstand entspricht. Durch dieses Ausgangssignal Wird kurzzeitig ein Schalter 18 geschlossen, der einen zweiten Momentansvertspeicher 19 mit dem Ausgang des Verstärkers 3 verbindet. Somit wird im Momentanwertspeicher 19 der im Augenblick des Schließens des Schalters 18 bestehende Augenblickswert der Impulsspannung gespeichert.

Die Ausgänge der beiden Momentanwertspeicher 12 und 19 sind mit den beiden Eingängen einer Addierschaltung 20 verbunden, die so ausgebildet ist, daß sie an ihrem Ausgang die halbe Summe der an ihren beiden Eingängen anliegenden Spannungen abgibt. Diese Ausgangsspannung wird als Schwellenspannung Vm 2 dem Schwellenspannungseingang des Schwellenwert-Triggers 7 zugeführt

Die Wirkungsweise der Schaltung von F i g. 2 soll an Hand des Diagramms von Fig. 3 erläutert werden.

Fig.3 zeigt in strichpunktierten Linien einen vom Impulssender 1 abgegebenen Rechteckimpuls, der im Zeitpunkt r, beginnt und im Zeitpunkt t_c endet. Der Impjls steigt vom Wert 0 auf die Amplitude Vs 1 an, fällt jedoch nicht wieder auf den Anfangswert 0, sondern nur auf einen höher liegenden Spannungswert Vs 2·

In vollen Linien ist in Fig.3 der am Ausgang des Verstärkers 3 erscheinende Impuls mit verschliffenen Flanken gezeigt, wobei die ansteigenden und abfallenden Flanken zur Vereinfachung wieder linear dargestellt sind, obwohl sie in Wirklichkeit gewöhnlich einen exponentiellen Verlauf haben, wie an Hand von F i g. 1 erläutert worden ist Dieser Unterschied ist jedoch für die Erläuterung der Funktionsweise der Anordnung ohne Bedeutung.

Im Zeitpunkt t\ kurz nach dem Beginn des Impulses hat die Impulsspannung einen Wert erreicht, der der Ansprechschwelle der Torschaltung 9 entspricht, so daß von diesem Zeitpunkt an die Zählung der Taktimpulse im Taktimpulszähler 10 erfolgt Der Taktimpulszähler 10 ist vor dem Beginn der Messung auf einen Zählerstand eingestellt worden, der einer Zeitdauer Ti entspricht, die größer als die größte zu erwartende Dauer der ansteigenden Impulsflanke ist, so daß nach Ablauf der Zeit Ti im Zeitpunkt fe der Impuls mit Sicherheit seine volle Amplitude Vs 1 erreicht hat Im Zeitpunkt b schließt der Taktimpulszähler 10 kurzzeitig den Schalter 11« so daß der in diesem Zeitpunkt bestehende Momentanwert V₅ , im Momentanwertspeicher 12 gespeichert wird. Von diesem Zeilpunkt an erscheint am Abgriff des Spannungsteilers 13 eine Spannung, die genau gleich der Hälfte der Inipulsamplitude Vs 1 ist, so daß für die Schwellenspannüng Vtr ι am Schwellenspannungseingang des Schwellenwerl-Triggers 4 gilt:

Ferner erscheint am Abgriff des Spannungsteilers 14 eine Schwellenspannung V_Tr 3, die geringfügig unterhalb der lmpulsamplilude Vs 1 liegt.

Wenn nach Beendigung des Impulses die Spannung der abfallenden Flanke im Zeitpunkt /3 unter den Wert der Schwellenspannung Vtr ι fällt, gibt der Schwellenwert-Trigger 15 eine Spannung ab, welche die Torschaltung 16 öffnet, so daß der Taktimpulszähler 17 die Zählung der Taktimpulse beginnt. Der Taktimpulszähler 17 ist vor Beginn der Messung auf einen Zählerstand eingestellt worden, der einer Zeitdauer Ti entspricht, die größer als die Dauer der längsten zu erwartenden abfallenden Impulsflanke ist. Wenn somit der Taktimpulszähler 17 nach Zählung einer der Zeitdauer Ti entsprechenden Anzahl von Impulsen im Zeitpunkt U kurzzeitig den Schalter 18 schließt, hat die Signalspannung den Wert Vs 2 erreicht, der nunmehr im Momentanwertspeicher 19 gespeichert wird.

Die Addierschaltung 20 empfängt somit an ihren beiden tängängen die Spannungen Vs 1 und Vs 1, und sie liefert zum Schwellenspannungseingang des Schwellenwert-Triggers 7 die Schwellenspannung

_v ₌
^rra2

Diese Schwellenspannung liegt genau auf der halben Höhe der abfallenden Flanke des Impulses, und zwar bei jedem Wert Vs 2. den die Signalspannung nach Beendigung des Impulses annimmt

Bei der Messung des nächsten Impulses wird somit der Taktimpulszähler 5 im Zeitpunkt t'„ in Gang gesetzt in welchem die Spannung der ansteigenden Impulsflanke die Schwellenspannung Vtr ι erreicht Wenn angegegenüber dem vorhergehenden Impuls nicht wesentlich geändert hat, entspricht somit der Zeitpunkt t', des Beginns der Messung genau dem für die richtige Zeitmessung entsprechenden Zeitpunkt

Im Zeitpunkt (2 erfolgt wieder die Speicherung des Augenblickswerts Vs ι des gerade anliegenden Impulses, wodurch die Schwellenspannung Vtr ι für die Messung des nächsen Impulses festgelegt wird.

Der Zähler 5 wird im Zeitpunkt t'_c stillgesetzt, in welchem die Spannung der abfallenden Impulsflanke die von der Addierschaltung 20 abgegebene Schwellenspannung Vtr 2 erreicht Im Zeitpunkt U wird schließlich wieder die Signalspannung Vs 2 im Momentanwertspeicher 19 gespeichert wodurch auch die Schwellenspannung Vtr 2 für die Messung des nächsten Impulses festgelegt wird.

F i g. 3 läßt unmittelbar erkennen, daß die durch die Zählung der Taktimpulse im Taktimpulszähler 5 gemessene Zeit T_n, zwischen den Zeitpunkten t'„ und t'_e genau gleich der Impulsbreite 7" zwischen den Zeitpunkten t, und t_c ist Die Impulsbreitenmessung erfolgt somit exakt ungeachtet der Tatsache, daß die Impulsflanken nicht senkrecht ansteigen und abfallen, und daß die Signalspannung nach dem Ende des Impulses nicht dem Anfangswert entspricht Die Schaltung ergibt eine richtige Messung der Impulsbreite

bereits beim zweiten Impuls einer Impulsfolge, und die Messung ist richtig, solange sich die Impulsamplitude von einem Impuls zum nächsten nicht wesentlich ändert, was gewöhnlich unterstellt werden kann.

Sollte sich jedoch die Impulsamplitude zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen sprunghaft beträchtlich

ändern, so ist die Impulsbreitenmessung bereits vom übernächsten Impuls an wieder richtig.

Es ist unmittelbar zu erkennen, daß die beschriebene Schaltung auch dann richtig arbeitet, wenn die Signalspannung nach dem Ende des Impulsds wieder auf den Anfangswert 0 fällt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

130225/267

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Impulsbreitenmessung mit einem Schwellenwert-Trigger, der die zu messenden Impulse empfängt und die Impulsbreitenmessung in dem Augenblick auslöst, in dem die Impulsspannung eine Schwellenspannung übersteigt, und mit einer Anordnung, die die Impulsbreitenmessung beendet, wenn die Impulsspannung unter eine Schwellenspannung fällt, mit einem Momentanwertspeicher, der den Impulsamplitudenwert abtastet und speichert und eine in einem festen Verhältnis zum gespeicherten Impulsamplitudenwert stehende Spannung als Schwellenspannung an den Schwellenwert-Trigger anlegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Beendigung der Impulsbreitenmessung einen zweiten Schwellenwert-Trigger (7) enthält, der die zu messenden Impulse empfängt, daß ein zveiter Momentan'vertspeicher (19) vorgesehen ist, der nach dem Ende der Abfallflanke jedes Impulses zur Abtastung und Speicherung des Signalspannungswertes ausgelöst wird, und daß an die Ausgänge der beiden Momentanwertspeicher (12,19) eine Addierschaltung (20) angeschlossen ist, die an einem mit dem Schwellen.spannungseingang des zweiten Schwellenwert Triggers (7) verbundenen Ausgang eine Spannung abgibt, die in der Mitte zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Momentanwertspeicher (12, 19) liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet duroh eine erste Zeitmeßanordnung (6, 10) zur Auslösung des eisten Nt jmentanwertspeichers (12) nach Ablauf einer dzr Dauer der Anstiegsflanke der Impulse entsprechenden Z it nach dem Beginn jedes Impulses und durch eine zweite Zeitmeßanordnung (6, 17) zur Auslösung des zweiten Momentanwertspeichers (19) nach dem Ende der Abfallflanke jedes Impulses.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des ersten Momentanwertspeichers (12) ein Spannungsteiler (14) mit nahe bei Eins liegendem Spannungsteilerverhältnis angeschlossen ist, und daß ein weiterer Schwellenwert-Trigger (15) vorgesehen ist, der die zu messenden Impulse empfängt und dessen Schwellenspannungseingang mit dem Abgriff des Spannungsteilers (14) verbunden ist und der die zweite Zeitmeßanordnung (6, 17) in Gang setzt, wenn die Impulsspannung unter die Schwellenspannung fällt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß jede Zeitmeßanordnung (5,6;6, ΙΟ;6,17) einen Zähler (5,10,17) enthält, der die von einem Taktimpulsgenerator (6) abgegebenen Impulse zählt.