DE4024438C2 - Digitaler Echtzeit-Frequenzmesser mit räumlicher Abtastung - Google Patents
Digitaler Echtzeit-Frequenzmesser mit räumlicher AbtastungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Frequenzmesser, bei welchem
eine räumliche Frequenzmessung an der Hüllkurve einer ste
henden Welle vorgenommen wird, die durch das Signal, dessen
Frequenz gemessen werden soll, in einer kurzgeschlossenen
Übertragungsleitung erzeugt wird.
Bei einem derartigen Frequenzmesser erfolgt die Frequenzmes
sung durch Spektralanalyse, wobei das signifikante Maximum
des Betrags der Fouriertransformierten der Hüllkurve der
stehenden Welle aufgesucht wird, die durch eine Anzahl von
Dioden detektiert wird, welche entlang der Übertragungslei
tung verteilt sind. Da man in der Praxis nur über eine dis
krete Fouriertransformierte mit einer begrenzten Anzahl von
Punkten verfügt, erfolgt diese Messung durch Bestimmung des
jenigen Punktes der diskreten Fouriertransformierten, welcher
im Betrag dem Maximum entspricht, woraufhin eine Interpola
tion um diesen Punkt herum vorgenommen wird.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik kann die Interpola
tion, wenn sie präzise sein soll, nur digital erfolgen, so
daß die Punkte der diskreten Fouriertransformierten digita
lisiert werden müssen oder gegebenenfalls auch die entlang
der Übertragungsleitung erfaßten Spannungen, wobei die Spek
tralanalyse dann gleichfalls digital erfolgt.
Aus der US-Patentschrift Nr. 3,541,443 ist ein Verfahren zur
Frequenzmessung bekannt, das auf der Untersuchung der Hüll
kurve von stehenden Wellen beruht, die durch das Signal,
dessen Frequenz gemessen werden soll, in einer kurzgeschlos
senen Übertragungsleitung erzeugt werden. Dieses Meßver
fahren besteht darin, auf der Übertragungsleitung zwei
Detektoren an zwei Punkten anzuordnen, die experimentell so
bestimmt werden, daß man am Ausgang der Detektoren ein
Spannungsverhältnis erhält, das sich über den zu messenden
Frequenzbereich möglichst linear verändert. Dieses Span
nungsverhältnis wird dann digitalisiert, um einen digitalen
Wert der gemessenen Frequenz zu erhalten. Die Digitali
sierung wird mit Hilfe analoger Verstärker mit einem inver
tierten Ausgang und einem nichtinvertierten Ausgang, Wider
standsnetzwerken und Schwellwertkomparatoren bewirkt.
Aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 313 765 A1 ist
ein weiteres Frequenzmeßverfahren bekannt, das auf dem
Interferometerprinzip beruht. Die Anordnung zum Durchführen
des Verfahrens weist N Detektorzellen auf, wobei jede Detek
torzelle eine Codestelle des zu ermittelnden N-Bit breiten
digitalen Frequenzwerts darstellt. Bei N=4 Detektorzellen
können deren Kennlinien so ausgebildet sein, daß die erste
Detektorzelle bis zur Hälfte des zu messenden Frequenz
bereichs einen Frequenzwert von -1 und ab der Hälfte des zu
messenden Frequenzbereichs einen Frequenzwert von +1 aus
gibt. Von der zweiten bis zur vierten Detektorzelle ist der
Frequenzbereich zunehmend feiner aufgeteilt und die Anzahl
der Nulldurchgänge der Kennlinie erhöht sich.
Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Frequenzmesser ge
schaffen werden, der präzise arbeitet und einfach aufgebaut
ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein digitaler Echtzeit-Frequenz
messer, der mit räumlicher Abtastung arbeitet und versehen
ist mit:
- - einer Übertragungsleitung, die ausgangsseitig kurzgeschlos sen ist und eingangsseitig ein Signal mit der unbekannten, zu messenden Frequenz empfängt, wobei dieses Signal in der Übertragungsleitung stehende Wellen erzeugt;
- - Detektoren, die entlang der Übertragungsleitung verteilt sind und die Amplitude der Hüllkurve der stehenden Welle abtasten, die im Inneren der Übertragungsleitung entsteht;
- - ersten Mitteln, um eine Diskriminierung der räumlichen Frequenz vorzunehmen, deren Anteil gleich m ist, worin m eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist, wobei diese Mittel an ihren Eingängen parallel an die Ausgänge der De tektoren angeschlossen sind und die eine periodische Fre quenzantwort aufweisen, mit abwechselnden Durchlaßbändern und Sperrbändern, die durch Übergänge getrennt sind, wel che gleichmäßig in dem gesamten Frequenzbereich des Fre quenzmessers verteilt sind, wobei sich ihre Anzahl verdop pelt, wenn man von einer räumlichen Frequenzdiskriminator einrichtung zu einer anderen übergeht, wobei ferner diese Anzahl von einem einzigen Übergang in der Nähe der Hälfte des gesamten Frequenzbereiches des Frequenzmessers für eine erste räumliche Frequenzdiskriminatoreinrichtung aus geht, um in einem anderen 2m-1 Übergänge zu erreichen;
- - zweite Frequenzdiskriminatormittel, deren Anzahl gleich m ist und die an ihren Eingängen parallel mit den Ausgängen der Detektoren verbunden sind sowie über eine Frequenzant wort verfügen, die jeweils komplementär zu der der ersten räumlichen Frequenzdiskriminatormittel ist; und
- - eine Menge von m Komparatoren, die jeweils das Ausgangssi gnal eines ersten räumlichen Frequenzdiskriminatormittels mit dem des zweiten räumlichen Frequenzdiskriminatormit tels vergleichen, dessen Frequenzantwort jeweils komple mentär zur eigenen Frequenzantwort ist, und gemeinsam ein Wort aus m Bits abgeben, das charakteristisch für die zu messende Frequenz ist.
Gemäß einer Ausführungsvariante werden die zweiten räum
lichen Frequenzdiskriminatormittel, deren Frequenzantwort
komplementär zu der der ersten räumlichen Frequenzdiskrimi
natormittel sind, durch eine einzige zweite räumliche Fre
quenzdiskriminatoreinrichtung ersetzt, deren Frequenzantwort
vom Typ eines Bandpasses ist, mit einem Ausgangssignalpegel,
der dem mittleren Signalpegel an den Ausgängen der ersten
räumlichen Frequenzdiskriminatormittel entspricht, wobei die
m Komparatoren jeweils das Ausgangssignal eines ersten räum
lichen Frequenzdiskriminatormittels mit dem des zweiten
räumlichen Frequenzdiskriminatormittels vergleichen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die
Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Frequenz
messers;
Fig. 2 ein Diagramm, welches jeweils die Frequenzantwort
der räumlichen Frequenzdiskriminatormittel zeigt,
die bei dem erfindungsgemäßen Frequenzmesser ver
wendet werden;
Fig. 3 ein Prinzipschema einer Ausführungsform des Fre
quenzmessers;
Fig. 4 ein Diagramm, dessen Kurven jeweils die Frequenz
antwort darstellen, die am Ausgang der Differenz
verstärker in dem Prinzipschema nach Fig. 3 er
scheint;
Fig. 5 eine praktische Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Frequenzmessers;
Fig. 6 eine weitere praktische Ausführungsform des Fre
quenzmessers; und
Fig. 7 eine Ausführungsvariante, die darin besteht, daß
zwei der in den vorausgehenden Figuren gezeigten
Frequenzmesser in Kaskade geschaltet werden.
In Fig. 1 ist eine Übertragungsleitung 1 zu erkennen, deren
eines Ende 2 kurzgeschlossen ist und deren anderes Ende 3
ein Signal sin wt aufnimmt, dessen Frequenz gemessen werden
soll. In dieser Übertragungsleitung entsteht eine stehende
Welle, deren räumliche Frequenz Fs mit der Frequenz f des
ankommenden Signals durch folgende Beziehung verknüpft ist.
f = c Fs/2 (1)
Darin ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen in
der Übertragungsleitung. N Quadratdetektoren, die jeweils
durch eine Diode 11, 12, 13, 14, 15 bzw. 16 verdeutlicht sind,
gefolgt von einem Tiefpaßfilter 21, 22, 23, 24, 25 bzw. 26,
sind eingangsseitig an Abgriffe angeschlossen, die gleich
mäßig entlang der Übertragungsleitung 1 verteilt sind. Der
Teilungsschritt dieser Abgriffe entspricht, um dem Abtast
theorem zu genügen, der Hälfte der minimalen räumlichen Pe
riode der Hüllkurven von stehenden Wellen, die in der Über
tragungsleitung 1 entstehen können, wenn ein zu messendes
Signal die maximal für den Frequenzmesser zulässige Frequenz
aufweist. Die Kenntnis des Abstandes des Kurzschlusses von
dem nächsten Quadratdetektor ermöglicht die Ausnutzung des
Spiegeleffektes, der durch den Kurzschluß erzeugt wird, um
eine Übertragungsleitung von doppelter Länge zur räumlichen
Abtastung zu simulieren, die an zwei Enden das Signal auf
nimmt, dessen Frequenz gemessen werden soll.
Die N Ausgänge der Quadratdetektoren sind mit den N Leitern
einer Busleitung 4 verbunden, welche an die Eingänge von
zwei Bänken von m räumlichen Frequenzdiskriminatoren 31, 32,
33 sowie 41, 42, 43 verbunden sind. Die erste Bank von räum
lichen Frequenzdiskriminatoren 31, 32, 33 besteht aus m räum
lichen Frequenzdiskriminatoren, die eine periodische Fre
quenzantwort haben, mit abwechselnden Durchlaß- und Sperr
bändern, die durch Übergänge getrennt sind, welche gleich
mäßig in dem gesamten Frequenzbereich des Frequenzmessers
verteilt sind, wobei ihre Anzahl von einem räumlichen Fre
quenzdiskriminator zum anderen verdoppelt wird, wenn man in
einem räumlichen Frequenzdiskriminator 31 mit einem einzigen
Übergang in der Nähe der Hälfte des gesamten Frequenzberei
ches des Frequenzmessers ausgeht, um letztlich bei einem
anderen räumlichen Frequenzdiskriminator 33 eine Anzahl 2 m-1
Übergänge zu erreichen, wobei in den Zwischenstufen 2 1, 2 2
. . . 2m-2 Übergänge vorhanden sind. Die zweite Bank von m
räumlichen Frequenzdiskriminatoren 41, 42, 43 besteht aus
räumlichen Frequenzdiskriminatoren, deren Frequenzantwort
jeweils komplementär zu der der räumlichen Frequenzdiskrimi
natoren 31, 32, 33 der ersten Bank ist. Die Ausgänge jedes
Paares von räumlichen Frequenzdiskriminatoren 31, 41 bzw.
32, 42 sowie 33, 43 der beiden Bänke, deren Frequenzantwort
jeweils komplementär ist, sind mit den Eingängen eines Kom
parators 51 bzw. 52 bzw. 53 verbunden, der ausgangsseitig
ein binäres Signal erzeugt, welches den einen oder anderen
Zustand aufweist, je nachdem, ob die zu messende Frequenz
innerhalb des Durchlaßbandes oder des Sperrbandes des räum
lichen Frequenzdiskriminators liegt, der in dem betrachteten
Paar zur ersten Bank gehört. Die Ausgänge der Komparatoren
51, 52, 53 geben ein Binärwort aus m Bits ab, das kennzeich
nend für die relative Lage der zu messenden Frequenz im In
neren des gesamten Frequenzbandes des Frequenzmessers ist
und an einen Codierer 60 angelegt wird, welcher eine Umco
dierung dieses Wortes aus m Bits in einen natürlichen Binär
code vornimmt.
Die in Fig. 2 gezeigten Diagramme stellen jeweils die Fre
quenzantwort der ersten und der zweiten Bank von räumlichen
Frequenzdiskriminatoren dar, als Funktion der zeitlichen
Frequenz des an die Übertragungsleitung 1 angelegten Signals,
welche sich aus der räumlichen Frequenz der stehenden Welle
in der Übertragungsleitung 1 über die lineare Beziehung (1)
ableitet.
Die Kurve V1 entspricht der Frequenzanwort des räumlichen
Frequenzdiskriminators 31 der ersten Bank. Sie zeigt einen
einzigen Übergang in der Nähe der Mitte des gesamten Fre
quenzbereiches des Frequenzmessers zwischen einem Sperrband,
das den niedrigen Frequenzbereich einnimmt, und einem Druch
laßband, das den oberen Frequenzbereich einnimmt.
Die Kurve V'1 entspricht der Frequenzantwort des räumlichen
Frequenzdiskriminators 41 der zweiten Bank. Ihre Form ist
komplementär zur Kurve V1. Sie zeigt einen einzigen Übergang
in der Nähe der Mitte des gesamten Frequenzbereiches des
Frequenzmessers zwischen einem Durchlaßband, das den niedri
gen Frequenzbereich einnimmt, und einem Sperrband, das den
oberen Frequenzbereich einnimmt.
Die Kombination dieser beiden Frequenzantworten V1 und V'1
am additiven und am subtraktiven Eingang des Komparators 51
ermöglicht es, am Ausgang desselben ein Binärsignal im Zu
stand 0 abzunehmen, wenn die Frequenz des zu messenden Si
gnals innerhalb des Sperrbandes des räumlichen Frequenzdis
kriminators 31 der ersten Bank und innerhalb des unteren
Frequenzbereiches des Frequenzmessers liegt, oder ein Signal
im Zustand 1, wenn die Frequenz des zu messenden Signals im
Durchlaßband des räumlichen Frequenzdiskriminators 31 der
ersten Bank und im oberen Frequenzbereich des Frequenzmes
sers liegt.
Die Kurve V2 entspricht der Frequenzantwort des räumlichen
Frequenzdiskriminators 32 der ersten Bank. Sie weist zwei
Übergänge, die in der Nähe der Mittelwerte des niedrigen und
des hohen Frequenzbereiches des Frequenzmessers liegen und
ein zentrales Durchlaßband begrenzen, das zwischen zwei
Sperrbändern liegt, wobei die Breite des Durchlaßbandes der
der beiden gesperrten Bereiche entspricht.
Die Kurve V'2 entspricht der Frequenzantwort des räumlichen
Frequenzdiskriminators 42 der zweiten Bank. Ihre Form ist
komplementär zu der der Kurve V2.
Die Kombination dieser beiden Frequenzantworten V2, V'2 am
additiven und am subtraktiven Eingang des Komparators 52
ermöglicht es, am Ausgang desselben ein Binärsignal im Zu
stand 0 abzunehmen, wenn die Frequenz des zu messenden Si
gnals im Sperrband des räumlichen Frequenzdiskriminators 32
und in der ersten Hälfte des niedrigen Frequenzbereiches
oder in der zweiten Hälfte des oberen Frequenzbereiches des
Frequenzmessers liegt, bzw. ein Signal im Zustand 1, wenn
die Freuqenz des zu messenden Signals im Durchlaßband des
räumlichen Frequenzdiskriminators 32 sowie in der zweiten
Hälfte des niedrigen Frequenzbereiches oder in der ersten
Hälfte des oberen Frequenzbereiches des Frequenzmessers
liegt.
Der Zustand des Binärsignals am Ausgang des Komparators 52
ermöglicht die Bestimmung der zu messenden Signalfrequenz in
bezug auf eine alternierende Reihe von 1 + 21 Bereichen, wo
durch der Gesamtfrequenzbereich des Frequenzmessers unter
teilt ist. In Kombination mit dem Zustand des Binärsignals
am Ausgang des Komparators 51 ermöglicht er die Bestimmung
der zu messenden Signalfrequenz in bezug auf eine Folge von
22 Bereichen gleicher Breite, die den Gesamtfrequenzbereich
des Frequenzmessers einnehmen.
Die Kurve Vm entspricht der Frequenzantwort des letzten räum
lichen Frequenzdiskriminators 33 der ersten Bank. Sie weist
2m-1 Übergänge zwischen Durchlaßbereichen und Sperrbereichen
auf, welche gleichmäßig innerhalb des Gesamtfrequenzberei
ches des Frequenzmessers verteilt liegen.
Die Kurve V'm entspricht der Frequenzantwort des letzten
räumlichen Frequenzdiskriminators 43 der zweiten Bank. Ihre
Form ist komplementär zu der der Kurve Vm.
Die Kombination dieser beiden Frequenzantworten am additiven
und am subtraktiven Eingang des Komparators 53 ermöglicht
es, am Ausgang desselben ein Binärsignal im Zustand 0 abzu
nehmen, wenn die Frequenz des zu messenden Signals in einem
Sperrband des räumlichen Frequenzdiskriminators 33 liegt,
oder ein Signal im Zustand 1, wenn die Frequenz des zu mes
senden Signals in einem Durchlaßband des räumlichen Fre
quenzdiskriminators 33 liegt, um so die zu messende Signal
frequenz in bezug auf eine alternierende Reihe von 1 + 2m-1
Bereichen zu bestimmen, wodurch der Gesamtfrequenzbereich
des Frequenzmessers unterteilt ist.
Aufgrund dieses Binärsignals, das durch die Gesamtheit der
Ausgangssignale der anderen Komparatoren 51, 52 vervollstän
digt wird, kann die zu messende Signalfrequenz bestimmt wer
den, indem ihre Lage in bezug auf eine Aufeinanderfolge von
2m Bereichen gleicher Breite bestimmt wird, die den gesamten
Frequenzbereich des Frequenzmessers einnehmen und eine Art
Abstufung bilden, die um so feiner ist, je größer die Zahl m
ist.
Die Synthese der räumlichen Frequenzdiskriminatoren erfolgt
dadurch, daß in geeigneter Weise die Frequenzantworten der
schmalbandigen Frequenzdiskriminatoren kombiniert werden,
die in dem Gesamtfrequenzbereich des Frequenzmessers ver
teilt liegen und die Punkte der diskreten Fouriertranforma
tion bilden, welche aus den Spannungen berechnet wird, die
von den N Quadratdetektoren abgegeben werden.
Diese Punkte der diskreten Fouriertransformation bilden näm
lich ein reelles Spektrum, da die Übertragungsleitung kurz
geschlossen ist und die detektierten Spannungen symmetrisch
in bezug auf den Kurzschluß sind. Sie haben folgende Werte:
Darin ist p(n) die normierte Position des n-ten Detektors
(im allgemeinen 1, 2, 3 . . . oder 0, 5-1, 5-2, 5 . . .), wobei
die Detektoren in wachsender Reihenfolge numeriert sind,
ausgehend von dem, der an das freie Ende 3 der Übertragungs
leitung angeschlossen ist, um zu dem überzugehen, welcher in
der Nähe des kurzgeschlossenen Endes 2 der Übertragungslei
tung angeschlossen ist, während k die Ordnung der Abtastpro
be der diskreten Fouriertransformierten ist, die in anwach
sender Reihe numeriert wird, indem man von den niedrigen
Frequenzen zu den hohen Frequenzen übergeht; Vn ist die
durch den n-ten Detektor detektierte Spannung.
Zur Verwirklichung eines Filters, dessen Frequenzantwort
eine bestimmte Form hat, müssen nur die Punkte der diskreten
Fouriertransformierten an den Abszissenwerten
dieser
mit der betrachteten Frequenzantwort X(F) gewichtet werden:
Wenn F(k) durch seinen Wert ausgedrückt wird, erhält man:
was auch geschrieben werden kann, indem die Aufsummierungen
permutiert werden:
Der letztere Ausdruck zeigt, daß die gesuchte Frequenzant
wort X(f) durch eine Linearkombination der detektierten
Spannungswerte Vn erhalten werden kann, wenn sie mit den
reellen Koeffizienten Cn von folgendem Wert gewichtet werden:
Bei der vorausgehenden Betrachtung wurden die Auswirkungen
der Abtastung nicht berücksichtigt, die aber groß sind, denn
die Anzahl N von Detektoren ist im allgemeinen klein, so daß
in der Praxis die Wichtungskoeffizienten in Abhängigkeit von
der angestrebten Leistungsfähigkeit optimiert werden müssen.
Die Fig. 3 zeigt ein Prinzipschema des digitalen Frequenz
messers, worin jedes Paar von räumlichen Frequenzdiskrimina
toren, die an den Eingang eines Komparators 51', 52', 53'
angeschlossen sind, durch einen einzigen Differenzverstärker
71, 72 oder 73 gebildet ist, der an seinen Eingängen die
Spannungen Vn empfängt, welche die Detektoren abgeben, je
weils über einen Widerstand, dessen Funktion der Wichtung
entspricht. Jeder Widerstand weist einen Wichtungskoeffi
zienten C"n auf, der positiv ist, wenn er an den nichtinver
tierenden Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen
ist, oder negativ, wenn er an den invertierenden Eingang des
Differenzverstärkers angeschlossen ist, entsprechend der
Summe von Wichtungskoeffizienten Cn, C'n gleicher Ordnung
der Diskriminatoren des betrachteten Paares.
Die Fig. 4 zeigt die Ausgangsspannungen V71 bis V73 der Dif
ferenzverstärker 71 bis 73 in Fig. 3, die unmittelbar die
Differenz der Ausgangssignale der komplementären räumlichen
Frequenzdiskriminatoren der in Fig. 2 gezeigten Art bilden.
Die Ausgangskomparatoren 51' bis 53' vergleichen mit der Re
ferenzgröße 0 und arbeiten folglich als Polaritätsdetektoren.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines digitalen Frequenz
messers, bei welchem der Differenzverstärker jedes Paares
von Diskriminatoren aus zwei aufeinanderfolgenden invertie
renden Operationsverstärkerstufen 710, 711 bzw. 720, 721 so
wie 730, 731 besteht, die jeweils mit einem Gegenkopplungs
widerstand 712, 713 bzw. 722, 723 sowie 732, 733 versehen
sind.
Die Fig. 6 zeigt das Schaltbild einer vereinfachten Ausfüh
rung des Frequenzmessers, bei welchem die Differenzverstär
ker der Paare von räumlichen Frequenzdiskriminatoren eine
erste gemeinsame Stufe 700 und verschiedene zweite Stufen
714, 715, 716 aufweisen. Die gemeinsame Verwendung der er
sten Stufe 700 der Differenzverstärker vermindert die Anzahl
von verwendeten Operationsverstärkern sowie die Anzahl von
Wichtungswiderständen. Sie rechtfertigt sich durch die fol
gende Gleichung, welche die Frequenzantwort X"m(f) desselben
Paares von räumlichen Frequenzdiskriminatoren wiedergibt:
Wenn die Koeffizienten Xn so gewählt werden, daß der Term
C"m, n-Xn negativ ist, unabhängig von dem jeweiligen Paar von
räumlichen Frequenzdiskriminatoren, so ist ersichtlich, daß
die Wichtungskoeffizienten aller Paare von räumlichen Fre
quenzdiskriminatoren zerlegt werden können in einen Satz von
Wichtungskoeffizienten (C"m, n-Xn), die alle negativ sind und
für jedes Paar von räumlichen Frequenzdiskriminatoren va
riieren, sowie in einen Satz von Wichtungskoeffizienten Xn,
die alle positiv sind und für alle Paare von räumlichen Fre
quenzdiskriminatoren invariant sind. Der Satz von postiven
Wichtungskoeffizienten Xn wird mittels der ersten gemeinsa
men invertierenden Operationsverstärkerstufe 700 verwirk
licht, die eingangsseitig über Widerstände mit den verschie
denen Ausgängen der Detektoren verbunden ist, während der
Satz von negativen Wichtungskoeffizienten durch die zweiten,
individuellen und invertierenden Operationsverstärkerstufen
714, 715, 716 gebildet wird, die eingangsseitig über Wider
stände mit dem Ausgang der ersten Stufe sowie mit den ver
schiedenen Detektoren verbunden sind. Diese Schaltungsaus
führung läuft in der Praxis darauf hinaus, daß als zweiter
Diskriminator jedes Paares ein einziger räumlicher Frequenz
diskriminator verwendet wird, dessen Frequenzantwort vom Typ
eines Allpasses ist und der ausgangsseitig ein Signal abgibt,
dessen Pegel dem mittleren Ausgangspegel des ersten räumli
chen Frequenzdiskriminators jedes Paares entspricht.
Die Fig. 7 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsvariante,
die darin besteht, daß zwei Frequenzmesser der vorstehend
beschriebenen Art in Kaskade geschaltet werden, mit einem
gemeinsam verwendeten Codierer, unter Verwendung von Über
tragungsleitungen verschiedener Länge. Die erste Schaltungs
anordnung 100 arbeitet mit einer Übertragungsleitung 101,
deren Zwischenabgriffe einen Abstand aufweisen, der in Ab
hängigkeit vom gesamten Betriebsfrequenzbereich gewählt ist,
und liefert ein Wort aus m' Bits, welches die zu messende
Frequenz darstellt. Die zweite Schaltungsanordnung 200 ar
beitet mit einer Übertragungsleitung 201, deren Zwischenab
griffe einen größeren Abstand haben, für ein Betriebsfre
quenzband, das 2m'-mal kleiner ist, und liefert ein Binär
wort aus m" Bits, welches die zu messende Frequenz mit einer
Genauigkeit darstellt, die 2m'-mal so groß ist wie die des
Binärwortes der ersten Stufe 100, wobei jedoch die Mehrdeu
tigkeiten durch das Binärwort dieser ersten Schaltungsanord
nung aufgelöst sind. Das von der ersten Schaltungsanordnung
100 abgegebene Binärwort aus m' Bits und das von der zweiten
Schaltungsanordnung 200 abgegebene Binärwort von m" Bits
werden an einen gemeinsamen Codierer 300 angelegt, der einen
Meßwert für die Frequenz im natürlichen Binärcode auf m' + m"
Bits ausgibt.
Die Genauigkeit dieser beiden in Kaskade geschalteten Schal
tungsanordnungen ist die einer Anordnung, die m' + m" Bits als
Frequenzmeßwert abgibt und etwa 2m'+m' Detektoren benötigt,
während nur 2m' + 2m' vorhanden sind.
In der Praxis hat die Abtastung in diesen beiden, in Kaskade
geschalteten Schaltungsanordnungen zur Wirkung, daß die Emp
findlichkeit der zweiten Schaltungsanordnung 200 periodisch
in Abhängigkeit von der Frequenz gegen Null geht. Der Kom
paratur 400 hat die Aufgabe, festzustellen, ob die zweite
Schaltungsanordnung 200 in einer Zone geringer Empfindlich
keit arbeitet. Wenn dies zutrifft, muß die von der zweiten
Schaltungsanordnung gemessene Frequenz durch die ersetzt
werden, die der Zone geringer Empfindlichkeit entspricht.
Für den Fall, daß sich der am Ende des Übertragungsleitung
200 liegende Kurzschluß in einem Abstand von dem ersten De
tektor befindet, der gleich der Hälfte des Teilungsabstandes
zwischen den Detektoren ist, ist dieser zu ersetzende Wert
0. Diese Ersetzung erfolgt durch AND-Torschaltungen 500, die
durch den Komparator 400 gesteuert werden und zwischen die
zweite Schaltungsanordnung 200 und den Codierer 300 einge
fügt sind.
Claims (8)
1. Digitaler Echtzeit-Frequenzmesser, der mit räumlicher
Abtastung arbeitet, mit
- - einer Übertragungsleitung (1), die am Ausgang (2) kurzge schlossen ist und am Eingang (3) ein Signal der zu messen den Frequenz aufnimmt, wobei dieses Signal eine stehende Welle in der Übertragungsleitung (1) erzeugt; und
- - Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16), die entlang der Über tragungsleitung (1) verteilt sind und die Amplitude der Hüllkurve der stehenden Wellen abtasten, die in der Über tragungsleitung (1) erzeugt werden, gekennzeichnet durch:
- - erste räumliche Frequenzdiskriminatormittel (31, 32, 33), deren Anzahl gleich m ist, worin m eine ganze Zahl größer als 1 ist, deren Eingänge parallel an die Ausgänge der De tektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16) angeschlossen sind und deren Frequenzantwort periodisch mit alternierenden Durch laßbändern und Sperrbändern ist, die durch Übergänge ge trennt sind, welche regelmäßig innerhalb des Gesamtfre quenzbereiches des Frequenzmessers verteilt sind, wobei ihre Anzahl sich verzweifacht, wenn man von einer ersten Filtereinrichtung zu einer anderen übergeht, wobei ferner diese Anzahl von einem einzigen Übergang in der Nähe der Hälfte des Gesamtfrequenzbereiches des Frequenzmessers für eine erste räumliche Frequenzdiskriminatoreinrichtung (31) ausgeht, um in einem anderen (33) 2m-1 Übergänge zu errei chen;
- - zweite räumliche Frequenzdiskriminatormittel (41, 42, 43), deren Anzahl gleich m ist und deren Eingänge parallel an die Ausgänge der Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16) ange schlossen sind, und deren Frequenzanwort jeweils komple mentär zu der der ersten räumlichen Frequenzdiskriminator mittel (31, 32, 33) ist; und
- - eine Menge von m Komparatoren (51, 52, 53), die jeweils das Ausgangssignal eines ersten räumlichen Frequenzdiskri minatormittels (31 bzw. 32, 33) mit dem des zweiten Fre quenzdiskriminatormittels (41 bzw. 42, 43) vergleicht, dessen Frequenzantwort komplementär zu der jeweils eigenen ist, und die gemeinsam ein Wort von m Bits ausgeben, das für die zu messende Frequenz charakteristisch ist.
2. Frequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß er ferner einen Codierer (60) aufweist, der am Ausgang
der Menge von m Komparatoren (51, 52, 53) angeordnet ist und
das von den Komparatoren (51, 52, 53) abgegebene Wort von m
Bits in einen natürlichen Binärcode umsetzt.
3. Frequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und die zweiten räumlichen Frequenzdiskrimi
natormittel gemeinsam durch Differenzverstärker (71, 72, 73)
gebildet sind, die eingangsseitig an die Detektoren über
Wichtungswiderstände angeschlossen sind, wobei die Menge von
m Komparatoren (51', 52', 53') dann jedes Ausgangssignal der
Differenverstärker (71, 72, 73) mit einer Spannung vom Wert
Null vergleichen, um daraus das Vorzeichen zu bestimmen.
4. Frequenzmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Differenzverstärker (71, 72, 73) jeweils zwei auf
einanderfolgende invertierende Operationsverstärkerstufen
(710, 711 bzw. 721, 722 sowie 731, 732) aufweisen, die je
weils mit einem Gegenkopplungswiderstand (712, 713 bzw. 723,
726 und 733, 734) versehen sind.
5. Digitaler Echtzeit-Frequenzmesser, der mit räumlicher
Abtastung arbeitet, mit
- - einer Übertragungsleitung (1), die am Ausgang (2) kurzge schlossen ist und am Eingang (3) ein Signal unbekannter Frequenz empfängt, wobei dieses Signal in der Übertra gungsleitung (1) stehende Wellen erzeugt; und
- - Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16), die entlang der Über tragungsleitung (1) verteilt sind und die Amplitude der Hüllkurve der stehenden Wellen im Inneren der Übertra gungsleitung (1) abtasten, gekennzeichnet durch:
- - erste räumliche Frequenzdiskriminatormittel, deren Anzahl gleich m ist, worin m eine ganze Zahl größer als 1 ist, deren Eingänge parallel mit den Ausgängen der Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16) verbunden sind und deren Frequenz antwort periodisch ist mit abwechselnden Durchlaßbändern und Sperrbändern, die durch Übergänge getrennt sind, wel che regelmäßig über den gesamten Frequenzbereich des Fre quenzmessers verteilt sind, wobei ihre Anzahl sich verdop pelt, wenn man von einem ersten räumlichen Frequenzdiskri minatormittel zu einem andern übergeht, und wobei diese Anzahl von einem einzigen Übergang in der Nähe der Hälfte des gesamten Frequenzbereiches des Frequenzmessers für ein erstes räumliches Frequenzdiskriminatormittel ausgeht, um bei einem anderen 2m-1 Übergänge zu erreichen;
- - zweite räumliche Frequenzdiskriminatormittel, deren Ein gänge parallel mit den Ausgängen der Detektoren (11, 12, 13, 14, 15, 16) verbunden sind, und deren Frequenzantwort vom Typ eines Allpasses ist, mit einem Pegel des Ausgangs signals, der dem mittleren Pegel der Ausgangssignale der ersten räumlichen Frequenzdiskriminatormittel entspricht; und
- - eine Gruppe von m Komparatoren, die jeweils das Ausgangs signal eines ersten räumlichen Frequenzdiskriminatormit tels mit dem Ausgangssignal der zweiten räumlichen Fre quenzdiskriminatormittel vergleichen, um gemeinsam ein Wort von m Bits auszugeben, welches kennzeichnend für die zu messende Frequenz ist.
6. Frequenzmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß er ferner einen Codierer (60) aufweist, der am Ausgang
der Gruppe von m Komparatoren angeordnet ist und das von
diesen abgegebene Wort von m Bits in einen natürlichen Bi
närcode umcodiert.
7. Frequenzmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und die zweiten räumlichen Frequenzdiskrimi
natormittel Differenzverstärker enthalten, die mit den Aus
gängen der Detektoren über Wichtungswiderstände verbunden
sind und die aus zwei aufeinanderfolgenden invertierenden
Operationsverstärkerstufen bestehen, wobei die erste Stufe
(700) der Menge von Differenzverstärkern gemeinsam ist, die
zweite, individuelle Verstärkerstufen (714, 715, 716) ent
halten.
8. Anordnung von Frequenzmessern nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei dieser
Frequenzmesser vorhanden sind, von denen der erste (100) eine
Übertragungsleitung (101) aufweist, deren Zwischenabgriffe
einen Abstand haben, der in Abhängigkeit von dem gesamten
Betriebsfrequenzbereich der Anordnung gewählt ist, um ein
binäres Wort aus m' Stellen zu liefern, worin m' eine ganze
Zahl größer als 1 ist, das für die zu messende Frequenz re
präsentativ ist, und daß der zweite Frequenzmesser (200) eine
Übertragungsleitung (201) aufweist, deren Zwischenabgriffe
Abstände aufweisen, die in Abhängigkeit von einem Betriebs
frequenzband gewählt sind, das 2m'-mal kleiner ist als das
der Anordnung, um ein binäres Wort von m" Stellen zu lie
fern, welches die Genauigkeit des Binärwortes von m' Stellen
steigert, das der erste Frequenzmesser (100) abgibt.
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