DE2009833C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Frequenzmessung - Google Patents

Description

die zu bestimmende Frequenz ermittelt wird, eine konstante «lektrische Größe K über die Zeitdauer von einer oder einem konstanten Vielfachen einer Periodendauer der zu messenden Frequenz integriert wird und wobei in einem zweiten Schritt das gespeicherte Ergebnis der ersten Integration zur Erzeugung eines durch eine zweite Integration gewonnenen Signals benutzt wird, dessen Steilheil proportional zur Periodendauer T_P ist, und die zu der Iu bestimmenden Frequenz proportionale Zeit, die das Signal zum Durchlaufen einer bestimmten Spannungsdifferenz benötigt, gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die das Ergebnis der ersten Integration darstellende elektrische Größe bei der zweiten Integration unmittelbar mit Hilfe des gleichen Integrators integriert wird und daß das so entstandene Signal mit vorbestimmten, »us der konstanten elektrischen Größe abgeleiteten und die genannte Spannungsdifferenz markierenden Schwellenwerten verglichen und aus dem Vergleich das in seiner Dauer der unbekannten Frequenz proportionale Zeitsignal gewonnen wird.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine konstante Spannung (U) an einem Eingang (E) über einen ersten Schalter (10), der bei Beginn einer Messung während einer Periodendauer oder deren konstantes Vielfaches der zu messenden Frequenz geschlossen ist, an einem Eingang eines invertierenden Integrators (11) liegt, dessen Ausgang über einen zweiten Schalter (12), der am Ende der Periodendauermessung öffnet und wieder schließt, wenn der gesamte Meßvorgang beendet ist, mit einem Speicherkondensator (13) verbunden ist, der mit seinem Ausgang über einen dritten Schalter (15), der normalerweise geschlossen ist und nur während der Periodendauermessung geöffnet ist, wieder auf den Eingang des Integrators (11) geführt ist, daß der Ausgang des Integrators (11) ferner mit einem Eingang eines !«Comparators (16) verbunden ist, der nur dann ein Ausgangssignal liefert, wenn sein Eingangssignal größer als ein an einem zweiten Eingang (£1) des !Comparators (16) anliegender unterer Spannungsscnwellwert (t/i) und kleiner als ein an einem dritten Eingang (£2) des Komparators (16) anliegender oberer Spannungsschwellwert (Ui) ist, wobei die Spannungsdifferenz der beiden Schwellwerte konstant ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der zweiten oder dritten Eingänge (£1, £2) des Komparators (16) für die Spannungsschwellwerte (i/i) auf Nullpotential liegt, während der andere der Eingänge (£1, £2) direkt oder über ein lineares Übertragungsglied an der konstanten Spannung (U)liegt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators (16) mit einem Eingang eines Gatters (17) verbunden ist, welches zu Beginn eines Meßvorgangs öffnet und erst dann wieder schließt, wenn die Integratorausgangsspannung (Uo) den oberen Schwellwert (Lfc) des Komparators (16) erreicht, daß die zeitliche Länge des am Ausgang des Gatters (17) auftretenden Impulses von einer geeigneten und entsprechend geeichten Anzeigevorrichtung dargestellt wird und daß die Steuerung der Schalter (10, 12, 15) mit Signalen (S10, S12, Sis) von einer Steuereinheit (18) erfolgt, der als Eingangssignale ein die Messung einleitender Impuls (S), das Signal unbekannter Frequenz (f) und das Komparatorausgangssignal (Sie) zugeführt ist

5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Integrators (11) sowie dem Hochpunkt des Speicherkondensators (13) einerseits und dem dritten Schalter (15) andererseits ein Impedanzwandler (14) liegt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzmessung bei welchem eine Periodendauer Tp der zu bestimmenden Frequenz gemessen und anschließend durch Lösen der Gleichung

T_n

die zu bestimmende Frequenz ermittelt wird, eine konstante elektrische Größe K über die Zeitdauer von einer oder einem konstanten Vielfachen einer Periodendauer der zu messenden Frequenz integriert wird und wobei in einem zweiten Schritt das gespeicherte Ergebnis der ersten Integration zur Erzeugung eines durch eine zweite Integration gewonnenen Signals benutzt wird, dessen Steilheit proportional zur Periodendauer Tp ist, und die zu der zu bestimmenden Frequenz proportionale Zeit, die das Signal zum Durchlaufen einer bestimmten Spannungsdifferenz benötigt, gemessen wird sowie eine Schaltungsanordnung, zur Durchführung dieses Verfahrens.

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. Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde bereits ein Frequenzmeßverfahren entwickelt, bei welchem eine Periodendauer Tp der zu bestimmender Frequenz gemessen und anschließend durch Lösen dei Gleichung

I 7„

die unbekannte Frequenz ermittelt wird. Die Meßzei beträgt bei diesem Verfahren im allgemeinen eini Periodendauer.

Zur Lösung der obengenannten Gleichung wird eil digitales Rechenverfahren verwendet. Dieses ist seh

aufwendig und teuer.

Aus der Zeitschrift »Electronic Engir eering«, Jan. 1970, S. 44 bis 48, ist bereits ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt Dieses Verfahren ist relativ ungenau und nur dann anwendbar, wenn hinsichtlich der Genauigkeit keine hohen Anforderungen gestellt werden. Dies ergibt sich schon aus der Tatsache, daß die wesentlichsion Fehlerquellen, nämlich die temperaturabhängigen und nichtlinearen Basis-Emitter-Strecken kompensiert werden müssen, was mit Hilfe von Dioden selbstverständlich nicht vollkommen erreicht werden kann. Darüber hinaus entstehen auch Fehler auf Grund der nichtlinearen und temperaturabhängigen Stromverstärkung, wobei diese Fehlerquellen bei dem bekannten Ve^rfahren nur äußerst schwer kompensierbar sind.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit des bekannten Verfahrens wesentlich zu verbessern, wozu möglichst einfache Verfahrensschritte dienen sollen. Das Verfahren soll mit Mitteln der modernen Analogrechentechnik durchgeführt werden können, wobei die auftretenden Fehler nur sehr gering, leicht überschaubar und sehr einfach kompensierbar sein sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die das Ergebnis der ersten Integration darstellende elektrische Größe bei der zweiten Integration unmittelbar mit Hilfe des gleichen Integrators integriert wird und daß das so entstandene Signal mit vorbestimmten, aus der konstanten elektrischen Größe abgeleiteten und die genannte Spannungsdifferenz markierenden Schwellenwerten verglichen und aus dem Vergleich das in seiner Dauer der unbekannten Frequenz proportionale Zeitsignal gewonnen wird.

Das Ergebnis der ersten Integration wird also keineswegs wie bei dem zuletzt geschilderten bekannten Verfahren zur Beeinflussung einer Integrationszeitkonstanten und damit zur Weiterbenutzung auf Umwegen benutzt, sondern es erfolgt eine direkte Integration dieses Ergebnisses mit Hilfe des gleichen Integrators. Dadurch wird das Verfahren wesentlich vereinfacht, setzt nur entsprechend vereinfachte Schaltungsmaßnahmen voraus und ist leichter überschaubar. Dieses unmittelbar integrierte Ergebnis der ersten Integration führi zu einem bewußt erzeugten Signal, wobei dieses gewollte Signal einer gesonderten, einstellbaren und konstanten Spannungsdifferenz entspricht. Diese Spannungsdifferenz kann beliebig groß oder klein gewählt werden. Dadurch entsteht eine nicht zu übertreffende Genauigkeit des Verfahrens bei größtmöglicher Einfachheit der notwendigen Verfahrensschritte bzw. Schaltungsmaßnahmen. Durch die Konstanz der Spannungsdifferenz wird die auszuwertende Zeit bzw. die Meßfrequenz unabhängig von der zu integrierenden konstanten Größe K. Die völlige Unabhängigkeit des Ergebnisses von der konstanten Größe K führt dazu, daß in der Praxis ohne weiteres eine Genauigkeit in der Größenordnung von 10 ⁴ erzielt wird, was eine Fehlerverbesserung um den Faktor 100 gegenüber dem zuletzt geschilderten bekannten Verfahren bedeutet.

Infolge der Verwendung des gleichen Integrators für beide Integrationsvorgänge ist das Ergebnis nur von einer konstanten und unbeeinflußten Integrafionszeitkonstanten abhängig, wobei eine Bestimmung dieser Konstanten entsprechend einfach ist. Bei verschiedenen Integratoren für die erste und zweite Integration würden beide Integrationszeitkonstanten in das Ergeb-Ferner wird durch die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, daß eine konstante Spannung an einem Eingang über einen ersten Schalter, der bei Beginn einer Messung während einer Periodendauer oder einem konstanten Vielfachen der Periodendauer der zu messenden Frequenz geschlossen ist, an einem Eingang eines invertierenden Integrators liegt, dessen Ausgang

ίο über einen zweiten Schalter, der am Ende der Periodendauermessung öffnet und wieder schließt, wenn der gesamte Meßvorgang beendet ist, mit einem Speicherkondensator verbunden ist, der mit seinem Ausgang über einen dritten Schalter, der normalerweise

'5 geschlossen ist und nur während der Periodendauermessung geöffnet ist, wieder auf den Eingang des Integrators geführt ist, daß der Ausgang des Integrators ferner mit einem Eingang eines !Comparators verbunden ist, der nur dann ein Ausgangssignal liefert, wenn sein Eingangssignal größer als ein an einem zweiten Eingang des Komparators anliegender unterer Spannungsschwellwert und kleiner als ein an einem dritten Eingang des Komparators anliegender oberer Spannungsschwellwert ist, wobei die Spannungsdifferenz der beiden Schwellwerte konstant ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung

gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie aus den Ansprüchen hervor.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen näher beschrieben.

F i g. 1 stellt das Blockschaltbild einer Anordnung gemäß der Erfindung dar;

F i g. 2 zeigt den zeitlichen Ablauf eines Meßvorganges;

F i g. 3 ist ein Teil des Blockschaltbildes, welches Einzelheitender Fig. 1 darstellt.

F i g. 1 stellt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Eine Eingangsklemme £, an welcher die Spannung U anliegt, ist über einen Schalter 10 mit dem Eingang eines Integrators 11, vorzugsweise einem integrierenden Operationsverstärker, verbunden. Der Ausgang des Integrators ist seinerseits wiederum über einen Schalter 12 mit dem freien Ende eines geerdeten Kondensators 13 und dem hcchohmigen Eingang eines Impedanzwandlers 14 verbunden. Der niederohmige Ausgang des Impedanzwandlers 14 führt über einen Schalter 15 wieder auf den Eingang des Integrators 11. Über eine weitere Leitung ist der Ausgang des Integrators 11 mit dem Eingang eines Spannungskomparators 16 verbunden. Der Spannungskomparator 16 ist mit zwei weiterer Eingängen Ei und £2 versehen, die mit den Vergleichs· Schwellenspannungen U\ und Lh beaufschlagt sind. Die Differenz Lh — ö\ der Vergleiohs-Schwellenspannunger wird vorzugsweise von der an Klemme E anliegender Spannung LJ hergeleitet in der Weise, daß LJi-U proportional zu L/ist.

Dies erreicht man im einfachsten Fall dadurch, daC die Eingangsklemme Ei des Komparators 16 au Nullpotential gelegt wird und die Eingangsklemme E direkt oder über ein lineares Übertragungsglied von dei Spannung LJ gespeist wird. In seiner Funktion ist dei Komparator 16 so ausgelegt, daß er nur dann eit Ausgangssignal Sie abgibt, wenn die Komparatorein gangsspannung Lh der nachfolgenden Bedingung ge nügt:

Der Ausgang des !Comparators 16 führt auf einen Eingang eines Und-Gatters 17. Der Ausgang des Und-Gatters 17 ist mit der Ausgangsklemme A verbunden. Die zeitliche Steuerung eines Meßvorganges erfolgt durch eine dafür vorgesehene Steuereinheit 18. Die Steuereinheit 18 ist mit zwei Eingangsklemmen Ea und Es versehen. Die Eingangsklemme Ea ist hierbei mit der zu messenden Frequenz /"beaufschlagt, während über die Eingangsklemme Es zu einem gewünschten Zeitpunkt von einem Startsignal 5 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.

Die Funktion der in F i g. 1 dargestellten Anordnung wird an Hand von F i g. 2 erläutert. In F i g. 2 ist der zeitliche Verlauf von Spannungen und Steuersignalen während eines Meßvorganges dargestellt. In Kurve 1 von F i g. 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 Sio, S12 und Sis dargestellt. Diese Signale steuern die Schalter 10,12 und 15 und sind identisch mit den Schließzeiten der Schalter. Kurve 6 zeigt die Ausgangsspannung des Integrators 11. Das Ausgangssignal Sa der Anordnung an der Ausgangsklemme A ist in Kurve 7 und das Steuersignal Si 7 schließlich, das den zweiten Eingang des Und-Gatters 17 steuert, ist in Kurve 8 dargestellt.

Aus den Kurven 3, 4 und 5 ist ersichtlich, daß vor Beginn eines Meßvorganges zum Zeitpunkt to der Schalter 10 geöffnet und die Schalter 12 und 15 geschlossen sind. Diese Schalterstellung ist in F i g. 1 dargestellt. Dabei ist der Signalkreis, gebildet aus dem Integrator 11, dem Schalter 12, dem Kondensator 13, dem Impedanzwandler 14 und dem Schalter 15 geschlossen. Innerhalb dieses Kreises besitzt nur der Integrator 11 eine negative Übertragungsfunktion. Der Impedanzwandler weist einen positiven Übertragungsfaktor, vorzugsweise + 1, auf. Das bedeutet jedoch, daß die Spannung im Signalkreis in dieser Schaltstellung auf Null abgeglichen wird. Dadurch ist gewährleistet, daß jeder Meßvorgang mit den gleichen Anfangsbedingungen beginnt

Zum Zeitpunkt to wird ein Meßvorgang durch den Startimpuls 5 gestartet. Dieser Startimpuls kann, wenn zyklische Messungen durchgeführt werden sollen, von einem Impulsgenerator geliefert werden. Der Startimpuls S bereitet die Steuereinheit 18 für die Messung einer Periodendauer der Frequenz f, abgebildet in F i g. 2 Kurve 2, vor. Die Periodendauer beginnt z. B. zum Zeitpunkt π und endet zum Zeitpunkt £2. Zum Zeitpunkt ή wird von der Steuereinheit 18 der Schalter 10 geschlossen und der Schalter 15 geöffnet

Der Schalter 10 verbindet den Eingang des Integrators 11 mit der zeitlich konstanten Spannung U. Dadurch steigt die Integratorausgangssparinung Lk zur Emgangsspannung U entgegengesetzt und über der Zeit linear an. Zum Zeitpunkt ö wird der Schalter 10 geöffnet Damit ist der erste Meßschritt beendet Die Integratorausgangsspannung Lh ist dann:

Hierbei stellt Γι die Integrationszeitkonstante und η-t\ die Periodenzeit Tp dar. Gleichung (3) läßt sich somit umschreiben.

-/1

U .

Gleichung (4) zeigt, daß die Integratorausgangsspannung Lk) proportional ist zur Periodenzeit Tp.

Der zweite Meßschritt beginnt zum Zeitpunkt Ti. Die konstante Zeitdifferenz ß-fc ist vorgesehen, um eventuell vorhandene Einschwingvorgänge abklingen zu lassen. Die Zeitdifferenz kann aber auch Null betragen, d. h., die Zeitpunkte ft und fc stimmen dann überein.

Zum Zeitpunkt η besitzt die Ausgangsspannung Uu des Integrators 11 den Wert Lh). Der Kondensator 13 ist auf den gleichen Spannungswert aufgeladen. Zum Zeitpunkt G wird von der Steuereinheit 18 der Schalter 12 geöffnet und der Schalter 15 geschlossen. Am Eingang des Integrators 11 erscheint nun über den Schalter 15, den Impedanzwandler 14 die Kondensalorspannung Lh\ des Kondensators 13, die für den in Frage kommenden Zeitraum des zweiten Meßschrittes als konstant angesehen werden kann. Infolge dieser Eingangsspannung steigt die Integratorausgangsspannung Lh zur Eingangsspannung Lh\ entgegengesetzt und über der Zeit linear an. Zum Zeitpunkt f4 ist die Integratorausgangsspannung Lh so groß wie die (Vergleichs-Schwellenspannung U\ des Komparators 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 Zeitpunkt f bereits mit dem Steuersignal Sn für das Komparatorsignal Sit durchlässig gemacht hat Zurr Zeitpunkt ß ist die Ausgangsspannung Lh des Integrators 11 so groß wie die Vergleichs-Schwellenspannung Lh. Damit schaltet der Komparator 16 zu dieserr Zeitpunkt fi zurück, und sein Ausgangssignal Sie unc damit das Ausgangssignal an Klemme A wird zu Null Der an der Ausgangsklemme A erscheinende Impuli besitzt somit die zeitliche Länge /5 - f4. Aus der vorangegangenen Angaben und unter der Bedingung daß LZi=O und Ui=U ist, läßt sich die Zeitdifferem k—U=T berechnen.

Es ist:

U ₂ - U₁ = U =

V = - fU_m.

v_m = -

'7

dt

Setzt man Gleichung (4) in Gleichung (7) ein, dan; erhält man:

Gleichung (8) zeigt daß die Zeit T proportion al zur Quadrat der Integrationszeitkonstanten Γι und umge

kehrt proportional zur Periodenzeit 7>ist. Das bedeutet aber, daß die Zeit T proportional zur Frequenz f ist, denn es gilt:

' P

Gleichung (8) in Gleichung (9) eingesetzt ergibt:

T.

(101

Die zu messende Frequenz kann somit durch Messen der Zeit Tunter Berücksichtigung des Proportionalitätsfaktors K/T)² bestimmt werden. Das Messen der Zeit 7 kann durch bekannte Zeitmeßeinrichtungen, die auf analoger oder digitaler Basis arbeiten, erfolgen.

Damit die Anordnung wieder in ihre Ruhelage zurückkehrt, muß lediglich der Schalter 12 geschlossen werden. Der Zeitpunkt hierfür ist nicht kritisch. Vorzugsweise wird für dieses Kommando das Zurückkippen des !Comparators 16 zum Zeitpunkt fs herangezogen. In F i g. 1 ist dies durch die Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang des !Comparators 16 und der Steuereinheit 18 angedeutet. Damit an der Ausgangsklemme A während des Zurückkehrens der Anordnung in ihre Ruhelage kein Signal mehr erscheint, ist es notwendig, daß die Steuereinheit 18 über das Signal Su das Und-Gatter 17 sperrt.

in F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Steuereinheit 18 dargestellt. Sie besteht mit Ausnahme eines Schmitt-Triggers 20, der zur Impulsformung dient, aus digitalen Schaltkreisen. Die Funktion der Steuereinheit !8 ist folgende:

Über den Eingang Es kippt der Startimpuls S ein Flip-Flop 22 in Stellung 0. Dadurch springt die invertierte Ausgangsspannung des Flip-Flop 22 vom Pegel 0 auf den Pegel L. Dieses Signal gelangt auf den /C-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 η und te der Fall ist. Das Flip-Flop 21 kippt somit zum Zeitpunkt fi in die Stellung L und zum Zeitpunkt ti wieder in die Stellung 0. Der Ausgangsimpuls des Flip-Flop 21 zum Zeitpunkt fe kippt jedoch das Flip-Flop 22 in Ruhestellung L, wodurch Flip-Flop 21 über den K-Eingang an einem weiteren Kippen verhindert wird. Flip-Flop 21 gibt somit nur einen einzigen Impuls von der zeitlichen Länge einer Periodendauer Tp der zu messenden Frequenz ab Dieser Impuls Si ο dient direkt zur Ansteuerung des Schalters 10, der inverse Impuls Sis kann zur Steuerung des Schalters 15 herangezogen werden, wenn die Zeitpunkte ft und ti übereinstimmen. Der Impuls Sv. kippt außerdem ein aus den invertierenden Gattern 23 und 24 gebildetes Flip-Flop in Stellung L. Dessen Signa entspricht dem Signal 5i7, welches zur Steuerung des Gatters 17 dient. Aus den Signalen Sm und Si? wird mii Hilfe eines invertierenden Und-Gatters 25 das Signa Si 2 gebildet, das den Schalter 12 steuert. Das Signal Sn des Komparators 16 wird über einen differenzierender Kondensator 26 auf den Rückstelleingang des aus der Gattern 23 und 24 gebildeten Flip-Flop geführt Dadurch wird erreicht, daß am Ende der Messung bein Zurückkippen des Signals Sie vom Pegel L auf den Pege 0 die Ausgangslage des Flip-Flop, bestehend aus der Gattern 23/24, wieder hergestellt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

«09684/10

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Frequenzmessung, bei welchem eine Periodendauer Tp der zu bestimmenden Frequenz gemessen und anschließend durch Lösen der Gleichung

f —