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Die
Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Einrichtung
zum Messen eines Zeitintervalls.
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Das
genaue digitale Messen eines Zeitintervalls ist eine wichtige Voraussetzung
für die
Funktion vieler elektronischer Sensoren oder Wandler. Das traditionelle
Verfahren zum Umsetzen einer Zeit in einem numerischen Wert (d.
h. Digitalwert) basiert auf dem Zählen von Impulsen einer Taktimpulsquelle konstanter
Frequenz.
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Ist
das Intervall zwischen der Zeit t1 und der Zeit
t2 (1)
zu messen, so ist die Gesamtlänge
t = t2 – t1. Das Taktsignal startet das Zählen zum
Zeitpunkt T1 und beendet es zum Zeitpunkt
T2. Das Intervall T wird durch Multiplikation
der Zeit der Taktperiode Tclock mit der
Anzahl N der Zählschritte
berechnet: T = Tclock·N
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Es
tritt ein Zeitmessfehler bei diesem Verfahren auf, der durch den
Beginn und das Ende der Intervallsignale relativ zu den Taktflanken
für das
Zählen
verursacht wird. Dieser beträgt
T1 – t1 und T2 – t2, und diese Differenzen können sich
bis zu Tclock addieren. Dieser Fehler kann
durch Verringern von Tclock reduziert werden
(d. h. Erhöhen
der Taktfrequenz; Fclock = 1/Tclock).
Mit zunehmender Frequenz nimmt aber auch die Komplexität, der Stromverbrauch
und der Aufwand für
die Messschaltung zu.
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Bei
Sensoren, die den Wert einer gemessenen Variablen durch Zeitmessung
bestimmen, ist eine sehr genaue Zeitmes sung ein kritischer Aspekt der
Genauigkeit. Bisher wurden hochfrequent arbeitende Zähler (über 100MHz)
und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC) für solche
feinen Zeitmessungen verwendet. Diese Schaltungen haben aber den
Nachteil hoher Kosten, hohen Stromverbrauchs (d. h. ungünstig für batteriegespeiste
Geräte)
und neigen zu Störsignalemissionen
(EMC). Eine Zeitmesseinrichtung und ein Verfahren wäre wünschenswert,
durch die die Nachteile vorbekannter Intervallmesseinrichtungen
und Verfahren vermieden würden.
Es wären
ferner eine Zeitintervallmesseinrichtung und ein Verfahren wünschenswert,
durch die Zeitintervalle mit hoher Frequenz sehr genau gemessen
werden können.
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Außerdem wären eine
Zeitintervallmesseinrichtung und ein Verfahren zu deren Einsatz
günstig, die
mit minimalem Messfehler und ohne erhöhte Taktfrequenzen arbeiten.
Es besteht ferner Bedarf für eine
Zeitintervallmesseinrichtung und ein Verfahren zu deren Einsatz,
die nicht nur Zeiten mit extrem hoher Auflösung, sondern auch über eine
sehr lange Zeit ohne Verschlechterung der Auflösung messen. Schließlich besteht
Bedarf für
eine Zeitintervallmesseinrichtung und ein Verfahren zu deren Anwendung, die
die vorstehenden Eigenschaften haben, jedoch keine kostspieligen
ASIC's oder Hochfrequenzoszillatoren
und – zählerschaltungen
benötigen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren
zum Messen von Zeitintervallen anzugeben, die die vorstehend aufgezeigten
Erfordernisse erfüllen
und die Zeit zwischen einem ersten Messsignal und einem oder mehreren nachfolgenden
Messsignalen messen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch gemäß einem
ersten Aspekt eine Einrichtung zum Messen eines Zeitintervalls, mit
Mitteln zum Zählen
der Gesamtzahl vollständiger,
jeweils festgelegter Taktperioden zwischen einem ersten und jeweils
einem nachfolgenden Messsignal, mit Mitteln zum Erzeugen von Taktteilperioden
mit dem Start des ersten Messsignals, dem Start der nächsten Taktperiode, dem
Start des nachfolgenden Messsignals und dem Start der darauf folgenden
Taktperiode, und mit Mitteln zum Kombinieren der erzeugten Taktteilperioden mit
der Gesamtzahl der Taktperioden zum Erzeugen des Gesamtintervalls
zwischen einem ersten und jedem nachfolgenden Messsignal.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Messen des Zeitintervalls
zwischen einem ersten und einem nachfolgenden Messsignal vorgesehen,
mit den Schritten:
Erzeugen aufeinander folgender Taktimpulse
mit übereinstimmender
Periode zwischen aufeinander folgenden Start- und Rückflanken der Impulse,
Bestimmen
der Gesamtzahl vollständiger
Taktperioden zwischen dem ersten und jedem nachfolgenden Messsignal,
Erzeugen von Teiltaktperioden zwischen jedem ersten und dem nachfolgenden
Messsignal und der Startflanke der jeweils nächsten Taktperiode und
Kombinieren
der Gesamtzahl vollständiger
Taktperioden mit allen Teiltaktperioden zwischen dem ersten und
nachfolgenden Messsignalen zum Bestimmen des gesamten Zeitintervalls
zwischen dem ersten und jedem nachfolgenden Messsignal.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Messen von Zeitintervallen
zwischen einem ersten und einem nachfolgenden Messsignal vorgesehen,
mit den Schritten:
Zählen
der Gesamtzahl vollständiger,
jeweils festgelegter Taktperioden zwischen dem ersten und dem nachfolgenden
Messsignal,
Erzeugen von Teiltaktperioden beginnend mit dem Start
des ersten und jedes nachfolgenden Messsignals bis zu dem Start
der jeweils nächsten
Taktperiode, und
Kombinieren der erzeugten Teiltaktperioden
mit der Gesamtzahl der Taktperioden zwischen dem ersten und dem
nachfolgenden Messsignal zum Erzeugen des Gesamtintervalls zwischen
dem ersten und jedem nachfolgenden Messsignal.
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Die
Zeitintervallmesseinrichtung und das Verfahren zu deren Nutzung
vermeiden viele Nachteile der bisher bekannten Zeitmesseinrichtungen und
Zeitmessverfahren dadurch, dass nun eine genaue Messung von Zeitintervallen
bei hoher Frequenz mit minimalem Messfehler und ohne das Erfordernis
erhöhter
Taktfrequenzen zur hohen Auflösung möglich ist.
Die Einrichtung und das Verfahren zu ihrer Nutzung bieten auch eine
hohe Zeitmessauflösung über sehr
lange Perioden. Die Einrichtung kann mit vergleichsweise billigen
Komponenten aufgebaut werden, da die bisher erforderlichen kostspieligen ASICs
oder hochfrequente Oszillatoren und Zählerschaltungen nicht benötigt werden.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
vorbekanntes Zeitdiagramm der Zählung
von Taktimpulsen bei der Zeitmessung,
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2 das
Blockdiagramm einer Zeitmesseinrichtung, und
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3 das
Zeitdiagramm der Verwendung eines Rampensignals zum Erzeugen von
Zeitmessungen mit Teiltaktperioden.
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Die
hier beschriebene Einrichtung und das Verfahren ermöglichen
eine Messung langer Perioden mit hoher Auflösung durch Messen des "langen" Teils der Periode
mit einem niederfrequenten Zähler, während die "hohe Auflösung" durch genaues Messen
der Zeitdifferenz zwischen der Startflanke und der Rückflanke
der aktuellen Signalperiode und der Taktflanken des verwendeten
Taktsignals zur Messung der "langen" Periode erreicht
wird. Der gesamte Messprozess erfolgt mit relativ billigen Zählern, Linearrampengeneratoren
und Analog/Digital-Wandlern (ADC) oder ist größtenteils in einem Mikrocontroller implementiert.
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Die
Zeitmessung der langen Periode erfolgt durch einfaches Aktivieren
eines Zählers
während der
Aktivität
der Periode. An ihrem Ende wird der im Zähler aufgelaufene Wert genützt.
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Das
hochauflösende
Messverfahren erhält man
durch Umsetzen der Zeitbasismessung in eine Analogbasismessung.
Dies wird durch einen Linearrampengenerator erreicht, der durch
das Signal eines Teilimpulsgenerators gesteuert wird. Die Spitzenspannung
des Rampensignals sollte so eingestellt sein, dass es nicht die
Eingangsmöglichkeiten des
ADC überschreitet,
und die maximale Zeit des Rampensignals sollte auf die längste Messperiode eingestellt
sein, die bei der hohen Auflösung
nötig ist (d.
h. die niederfrequente Taktperiode). Der Linearrampengenerator hat
die Ei genschaft, das Ausgangssignal vorübergehend zu halten oder zu
speichern. Dies ermöglicht
die Analog-Digital-Wandlung.
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Das
analoge Rampensignal wird einem Analog/Digital-Wandler (ADC) zugeführt und
mit dessen Auflösung
quantisiert. Wird beispielsweise ein 10Bit-Analog/Digital-Wandler
verwendet, so ist seine Auflösung
1 Teil in 1024 (210). Wäre die Taktfrequenz des Zählers 1MHz
und würde
das Rampensignal über
diese Periode verlaufen (d. h. 1 Mikrosekunde), so wäre die Auflösung dieser
Zeitmessung 1 Mikrosekunde geteilt durch 1024 oder 0,97 Nanosekunden.
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Wird
die Zeitintervallmesseinrichtung und deren Verfahren schaltungstechnisch
implementiert, so könnte
die Schaltung sich selbst kalibrieren, indem einfach die Periode
des gesamten Taktzyklus gemessen würde anstelle eines Starts des
Rampensignals mit dessen normalem Startsignal. Dieser "Eichzyklus" könnte periodisch
ablaufen, um verschiedene elektronische Fehler zu kompensieren (z. B.
Temperaturdrift).
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Ein
Blockdiagramm einer Ausführungsform einer
Zeitintervallmessschaltung 10 ist in 2 dargestellt.
Diese Schaltung 10 enthält
einen Taktgenerator 12, einen Taktzähler 14, eine Teiltakt-Messschaltung 16 und
einen Mikrocontroller 18.
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Der
Taktgenerator 12 liefert ein stabiles und genaues niederfrequentes
Taktimpulssignal an den Taktzähler 14 und
die Teiltakt-Messschaltung 16. Die Stabilität des Taktgenerators
sollte besser als die höchste
Genauigkeit sein, mit der die Schaltung 10 arbeiten soll.
Die Symmetrie des Taktzyklus muss jedoch nicht genau 50% sein, da
der Zähler 14 immer mit
derselben Taktflanke (d. h. der Anstiegsflanke) inkrementiert wird.
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Der
Taktzähler 14 misst
grobe Zeitwerte. Wie das in 3 gezeigte
Zeitdiagramm verdeutlicht, werden die Taktimpulse jeweils mit der
Anstiegsflanke gezählt.
Die Rückflanke
der Teiltaktimpulssignale dient zum Halten des Zählerstandes des Taktzählers 14.
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Der
Mikrocontroller 18 sammelt alle Daten und berechnet die
gemessene Periode mit hoher Auflösung
unter Anwendung der unten beschriebenen Formeln.
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Die
Teiltakt-Messschaltung 16 besteht aus den drei in 2 gezeigten
Elementen, einem Teiltaktimpulsgenerator 20, einem Analgorampensignalgenerator 22 und
einem Analog/Digital-Wandler (ADC) 24.
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Der
Teiltaktimpulsgenerator 20 kombiniert das Taktsignal und
das Messsignal oder den Eingangsimpuls zum Erzeugen eines Impulses,
dessen Breite dem Zeitunterschied der Flanken des zu messenden Signals
und des Taktsignals entspricht, siehe 3. Mit anderen
Worten: Er erzeugt Impulse mit der Breite Tclock,
T1 und T2. Die Periode
Tclock dient zur Kalibrierung und wird noch
erläutert.
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Der
Rampensignalgenerator 22 wandelt die Breite dieser Impulse
in eine Gleichspannung. Die Zeitwerte Tclock,
T1 und T2 werden
in Spannungswerte Vclock, V1 und
V2 umgewandelt. Für einen linearen Rampensignalgenerator 22 mit
einem Signalanstieg S ergibt sich der folgende Zusammenhang der
Zeiten und der Spannungen: Vclock =
S·Tclock V1 =
S·T1 V2 =
S·T2
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Um
mehrere Signalwandlungen mit demselben Rampensignalgenerator 22 durchzuführen, sollte
dieser das schnelle Rücksetzen
auf Null ermöglichen,
sodass er dann für
die nächste
Teiltaktperiodenmessung verfügbar
ist.
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Der
Analog/Digital-Wandler 24 misst die Spannungen des Rampensignalgenerators 22 und setzt
sie in numerische Werte um (Digital). Die Zeitintervallmesseinrichtung
kann sich selbst sowie die Funktion des Analog/Digital-Wandlers 24,
den Rampensignalgenerator, den Effekt der Temperaturdrift oder jegliche
Elementetoleranz usw. kalibrieren. Ist die Taktperiode bekannt (Tclock) und wird ein quarzgesteuerter Taktgenerator 12 verwendet
(sehr stabil über
Zeit und Temperatur), kann die Taktperiode mit der linearen Rampe
(Vclock) gemessen und eine mathematische
Kompensation einer Steigungsänderung
des Rampensignals durch Komponentenänderung und Temperaturdrift
vorgenommen werden. Dieser Zusammenhang kann durch die folgenden
Gleichungen beschrieben werden: S = Vclock/Tclock T1 = Tclock·V1/Vclock T2 = Tclock·V2/Vclock
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Um
den Kalibrierungsprozess effektiv auszunutzen und die Driftfehler
der Rampensteigung zu reduzieren, sollte die Spannung Vclock zeitgenau
zur Messung der Spannungen V1 und V2 vorgenommen werden.
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Die
Spannung Tclock kann, wie beschrieben, zu
jedem Zeitpunkt nach Umsetzen des Rampensignalwertes in einen Digitalwert
zum Berechnen einer Teiltaktperiode benutzt werden, und die gesamte
Einrichtung kann erneut kalibriert werden oder diese erneute Kalibrierung
erfolgt am Ende des letzten Messsignals, z. B. des in 3 gezeigten
Messsignals S3.
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Ein
Rampensignal wird erzeugt, um die Spannung Vclock zu
erzeugen.
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Zur
Erläuterung
des Wandlerprozesses werden nur "runde" Zahlen der besseren
Klarheit wegen verwendet. Wie 3 zeigt,
besteht die Taktperiode aus 10 Zählschritten,
und die Auflösung
des Analog/Digital-Wandlers 24 entspricht 10 Zählschritten. In
einem praktischen Beispiel würde
typisch ein niederfrequentes Taktsignal von 1MHz und eine Auflösung des
Analog/Digital-Wandlers von 10Bit bei einer maximalen Eingangsspannung
von 5Volt verwendet.
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Der
niederfrequente Taktgenerator 12 ist kontinuierlich "freischwingend".
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Das
erste oder das Anfangssignal der zu messenden Periode wird aufgenommen
(S1) und kennzeichnet den Beginn der Messperiode.
Zu diesem Zeitpunkt gibt es zwei Kriterien. Der Zähler 14 wird
getriggert und startet seinen niederfrequenten Zählvorgang und ferner wird der
Rampensignalgenerator gestartet, so dass seine Ausgangsspannung rampenförmig ansteigt.
Wenn dann die nächste
Anstiegsflanke des Taktsignals auftritt (C1), wird der Rampensignalgenerator 22 gesperrt
und seine Amplitude auf dem erreichten Wert gehalten. Ferner wird der
Taktzähler 14 um
einen Schritt erhöht.
Der Analog/Digital-Wandler 24 wird zum Messen des Rampensignals
Rampel gestartet und bildet den Spannungswert V1.
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Nach
weiterem Zeitfortschritt wird der niederfrequente Taktzähler 14 mit
jeder Anstiegsflanke des Taktsignals erhöht, in diesem Beispiel mit
C2 und C3.
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Ein
zweites oder nachfolgendes Signal der zu messenden Periode wird
dann aufgenommen (S2), S kennzeichnet jeweils
das Ende einer Messperiode. Zu diesem Zeitpunkt treten zwei weitere
Kriterien auf. Einerseits wird der Taktzähler 14 gesperrt und
stillgesetzt, und ferner wird der Rampensignalgenerator 22 freigegeben,
sodass seine Ausgangsspannung ihren rampenförmigen Anstieg beginnt (Rampe2).
Der Zählerstand
des Taktzählers 14 wird bei
S2 gespeichert, während der Zählvorgang sich fortsetzt.
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Mit
der nächsten
Anstiegsflanke des Taktsignals (C4) wird der Rampensignalgenerator
gesperrt und seine Amplitude auf dem zu diesem Zeitpunkt erreichten
Wert gehalten. Der Analog/Digital-Wandler 24 wird zum Messen
des Rampensignals Rampe2 gestartet.
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Zu
diesem Zeitpunkt sind alle Rohmessungen durchgeführt, d. h. V1,
Taktzählerstand
und V2. Mit diesen Werten werden Berechnungen
durchgeführt,
um die tatsächliche
Periode zu bestimmen.
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Die
Berechnung der Periodenmessung wird mit dem Mikrocontroller 18 folgendermaßen durchgeführt: Tactual = T1 +
N·Tclock – T2
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Darin
sind
- Tactual
- die tatsächliche
Zeit der gemessenen Periode,
- T1
- die Zeitdifferenz
des Anfangsstartimpulses und der ersten Taktflanke (Teiltaktperiode)
- N
- die in der gemessenen
Periode aufgelaufene Anzahl Taktzyklen
- Tclock
- die Zeit einer Taktperiode
und
- T2
- die Zeitdifferenz
der letzten Taktflanke und des Stopimpulses (Teiltaktperiode).
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Beispiel
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- Tclock = 10
- V1 = 8
d. h. T1 =
0.8·10
- V2 = 4
d. h. T2 =
0.4·10
- N = 3
- Tactual = N·Tclock +
T1 – T2
- Tactual = 3·10 + 8 – 4
- Tactual = 34 Zeiteinheiten
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Diese
Gleichung zeigt, dass Tactual oder das Intervall
zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten oder nachfolgenden
Messsignalen durch Kombination der Teiltaktperioden und der Gesamtzahl
vollständiger
Taktperioden zwischen zwei Messsignalen erzeugt wird.
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Anstelle
separater Einheiten für
den Taktgenerator 12, den Taktzähler 14 und den Analog/Digital-Wandler 24,
die in 2 gezeigt sind, können deren Funktionen auch
in dem Mikrocontroller 18 enthalten sein. Dies vereinfacht
weiter die Kosten der Zeitintervallmesseinrichtung durch reduzierte
Anzahl separater Komponenten.
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Die
vorstehend beschriebene Messeinrichtung sowie das Verfahren zu deren
Benutzung zum Messen des Zeitintervalls zwischen einem ersten Messsignal
oder einem nachfolgenden oder zweiten Messsignal kann mit der in 2 gezeigten
Schaltung für
mehrere Gruppen aus einem ersten und einem zweiten Messsignal benutzt
werden. Es ist auch möglich,
die in 2 gezeigte Schaltung mit einem ersten Messsignal
S1 und mehreren nachfolgenden Messsignalen
S2, S3 usw. zu benutzen.
Das Verfahren zum Entwickeln des Intervalls zwischen dem ersten
Messsignal und jedem nachfolgenden Messsignal S3 usw.
ist dasselbe wie das oben beschriebene zum Messen des Intervalls
zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten, nachfolgenden Messsignal
S2.
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Werden
mehrere nachfolgende Signale für individuelle
Zeitintervalle gegenüber
dem ersten Messsignal verwendet, bleibt der Zähler entweder als eigene Komponente 14 wie
in 2 oder als Teil des Mikrocontrollers 18 in
seinem Zählzustand
während des
gesamten Messintervalls aktiviert. Die Gesamtzahl vollständiger Taktperioden
von dem ersten Messsignal S1 bis zu jedem
der nachfolgenden Messsignale S2, S3 usw. wird jeweils individuell gespeichert
gehalten, um das jeweilige Intervall zu berechnen, während die
Zählfunktion
fortgesetzt wird, wie es in 3 gestrichelt
dargestellt ist.
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Die
Einrichtung und das Verfahren zum Messen eines Zeitintervalls können in
vielen unterschiedlichen Technologien und Anwendungen genutzt werden,
wo eine messbare Größe als Zeitmessung
erfasst wird. Solche Anwendungen sind Magnetostriktion, Ultraschall,
Radar usw. Bei Magnetostriktion ist ein Beispiel einer Ausbreitungskonstante
längs einer Leitung
3,592 Mikrosekunden/Zentimeter. Wird das Intervall zwischen zwei
Signalen, die während
der Übertragung
des Signals längs
der Leitung erzeugt werden, nach dem oben beschriebenen Verfahren bestimmt,
so kann damit die Länge
oder der Abstand zwischen zwei Messstellen bestimmt werden. Die Messsignale
können
mit zwei längs
der magnetostriktiven Leitung angeordneten Magneten erzeugt werden.
Die beiden Messsignale können
auch durch den anfänglichen Übertragungsimpuls
auf der magnetostriktiven Leitung und durch ein zweites Messsignal
dargestellt werden, das durch einen der Leitung zugeordneten Magneten
erzeugt wird.
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Es
wurde eine neuartige Zeitintervallmesseinrichtung und ein Verfahren
zu deren Nutzung beschrieben, wodurch die in bisherigen Hochgeschwindigkeits-
oder Hochauflösungsmesseinrichtungen auftretenden
Nachteile vermieden werden. Die Messeinrichtung und das Verfahren
ermöglichen
sehr präzise
Messungen von Intervallen ohne Hochfrequenzzähler oder ASIC's, die kostspielig
sind, wegen hohen Stromverbrauchs nicht für batteriebetriebene Geräte geeignet
sind und EMC-Störsignale
abgeben.