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Verfahren zum hochgenauen Messen von Phasen- und Frequenzdiffe-
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renzen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum hochgenauen Messen
von Phasen- und Frequenzdifferenzen zwischen periodischen Bezugssignalen vorgegebener
Folgefrequenz und periodischen Meßsignalen gleicher nomineller Folgefrequenz, sowie
auf eine Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Zum Messen von Frequenzen ist es allgemein bekannt, Zähler mit einer
hohen Zählfrequenz von 10 MHz bis 500 MHz zu verwenden.
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Mit Hilfe dieser Zähler ist es möglich, eine Auflösung der relativen
Frequenzabweichung zwischen Bezugssignalen und Meßsignalen von 10 7 bis 10 9 pro
Sekunde Meßzeit zu erreichen. Weiterhin ist es bereits möglich, mit Hilfe einer
Frequenzumsetzung und Frequenzvervielfachung der Bezugssignale und der Meßsignale
eine Auflösung der relativen Frequenzabweichung von 10 11 bis 10 9 pro Sekunde Meßzeit
zu erreichen. Bei dem letzteren bekannten Verfahren werden die von einem Frequenznormal
abgegebenen Bezugssignale und die von einem Oszillator abgegebenen Meßsignale jeweils
einem Frequenzvervielfacher zugeführt, der die Folgefrequenz der Meßsignale bzw.
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Bezugssignale um einen Faktor 100 bis 1000 vervielfacht. Die Bezugssignale
und die Meßsignale an den Ausgängen der Frequenzvervielfacher werden einem Mischer
zur Subtraktion der vervielfachten Frequenzen zugeführt. Dadurch werden die Frequenzabweichungen
so vergrößert, daß sie mit hochwertigen Zählern gemessen werden können. Der Aufwand
für eine Schaltungsanordnung zum Durchführen dieses
bekannten Verfahrens
ist jedoch beträchtlich, insbesondere bei einer Frequenzvervielfachung und Mischung
im GHz-Bereich. Mit dem bekannten Verfahren ist es außerdem nicht möglich, gleichzeitig
Phasen- und Frequenzdifferenzen zwischen den Bezugssignalen und den Meßsignalen
zu ermitteln. Weiterhin ist es mit Hilfe des bekannten Verfahrens nicht möglich,
gleichzeitig die Phasen- und Frequenzdifferenzen zwischen den Bezugssignalen und
einer Mehrzahl von Meßsignalen mit der gewünschten Genauigkeit in einer einzigen
Schaltungsanordnung durchzuführen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
mit dessen Hilfe auf einfache Weise gleichzeitig die Phasen- und Frequenzdifferenzen
zwischen Bezugssignalen und Meßsignalen ermittelt werden können.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren der eingangs genannten
Art gelöst durch die zeitliche Aufeinanderfolge folgender Verfahrensschritte: a)
Es werden den Phasendifferenzen zwischen den Bezugssignalen und den Meßsignalen
proportionale Phasensignale erzeugt.
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b) Die Impulsdauern der Phasensignale werden gemessen.
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c) Während jeweils einer vorgegebenen Torzeit werden die Mittelwerte
der Impulsdauern der Phasensignale gebildet.
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d) Die zeitlichen Änderungen der Mittelwerte während einer Meßzeit
werden ermittelt.
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e) Aus der Änderung der Mittelwerte wird durch Division durch die
Meßzeit die mittlere relative Frequenzdifferenz ermittelt.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, daß
es mit dem geringen Aufwand einer Digitalschaltung eine hochgenaue Messung der Phasen-
und Frequenzdifferenzen zwischen den Bezugssignalen und den Meßsignalen gestattet.
Die Auflösung der mittleren relativen Frequenzdifferenz eines einfachen Frequenzzählers
kann durch das Verfahren um zwei bis fünf Zehnerpotenzen erhöht werden. Beispielsweise
kann während einer Meßzeit von 1 Sekunde die mittlere relative Frequenzabweichung
mit einer Genauigkeit von 10111 und bei einer Meßzeit von 100 Sekunden mit einer
Genauigkeit
von 10 gemessen werden. Die der Phasendifferenz zwischen den Bezugssignalen und
den Meßsignalen proportionalen Phasensignale werden auf einfache Weise mit Hilfe
eines Phasendetektors erzeugt. Die Messung der Impulsdauern der Phasensignale und
die Bildung der Mittelwerte der Impulsdauern der Phasensignale erfolgt in handelsüblichen
Zählern. Die Berechnung der Frequenzdifferenz aus der zeitlichen Änderung der Mittelwerte
und der Meßzeit kann beispielsweise mit Hilfe eines handelsüblichen Tischrechners
erfolgen.
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Die Bildung der Mittelwerte der Impulsdauern erfolgt insbesondere
dann auf einfache Weise, wenn die Torzeit gleich ist einem ganzzahligen Vielfachen
der Periodendauer der Phasensignale.
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Zur Ermittlung der Frequenzdifferenz aus der Änderung der Mittelwerte
und oder Meßzeit ist es vorteilhaft, wenn die Meßzeit gleich ist einem ganzzahligen
Vielfachen der Torzeit.
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Für die Bildung der Mittelwerte der Impulsdauern ist es günstig, wenn
die Zählfrequenz des Zählers nicht kohärent ist zum Bezugssignal und zum Meßsignal
und/oder einen Phasenjitter aufweist.
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Eine besonders genaue Messung der Frequenzdifferenz wird erreicht,
wenn die Bezugssignale in einem Frequenznormal erzeugt werden.
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Falls die Nennfrequenz der Bezugssignale und der Meßsignale verschieden
sind, ist es von Vorteil, wenn die Folgefrequenz der Bezugssignale und/oder der
Meßsignale um vorgegebene Faktoren geteilt werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasendetektor vorgesehen ist,
an dem die Bezugssignale und die Meßsignale anliegen und der die Phasensignale abgibt
und daß ein an sich bekannter Zähler vorgesehen ist, an dem die Phasensignale anliegen,
der die Mittelwerte der Impulsdauern der Phasensignale während der Torzeit bildet
und der die zeitlichen Änderungen der Mittelwerte während der Meßzeit ermittelt
und/oder anzeigt.
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Falls die relative Frequenzdifferenz selbsttätig ermittelt werden
soll, ist es von Vorteil, wenn dem Zähler eine Auswerteeinrichtung nachgeschaltet
ist, die die Differenz der Mittelwerte während der Meßzeit bildet, durch die Meßzeit
dividiert.
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Falls die Folgefrequenz der Bezugssignale von dem Nennwert der Folgefrequenz
der Meßsignale stark abweicht, ist es, um den Meßbereich zu erweitern, günstig,
wenn die Bezugssignale und/oder die Meßsignale über jeweils einen Frequenzteiler
dem Phasendetektor zugeführt werden.
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Eine gleichzeitige Messung der Phasen- und Frequenzdifferenzen zwischen
den Bezugssignalen und einer Mehrzahl von Meßsignalen wird auf einfache Weise dadurch
erreicht, daß weitere Phasendetektoren vorgesehen sind, an denen die Bezugssignale
und weitere Meßsignale anliegen und deren Ausgänge über einen Multiplexer mit dem
Zähler verbunden sind, der den Multiplexer steuert.
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Im folgenden wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anhand
von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bekannten
Schaltungsanordnung zum Messen der Frequenzdifferenzen zwischen Bezugssignalen und
Meßsignalen, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Messen der
Phasen- und Frequenzdifferenzen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, Fig.
3 Zeitdiagramme von Signalen an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung, Fig.
4 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Messen der Phasen- und Frequenzdifferenzen
zwischen den Bezugssignalen und einer Mehrzahl von Meßsignalen nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält zwei Oszillatoren
OS1 und OS2, zwei Frequenzvervielfacher V1 und V2, einen Mischer M1 und eine Auswerteeinrichtung
Al. Der Oszillator OS1 ist beispielsweise als Frequenznormal ausgebildet und er
gibt Be-
zugssignale B vorgegebener konstanter Folgefrequenz fO
an den Frequenzvervielfacher V1 ab. Der Oszillator OS2 gibt Meßsignale M an den
Frequenzvervielfacher V2 ab. Der Nennwert der Folgefrequenz der Meßsignale ist beispielsweise
gleich der vorgegebenen konstanten Folgefrequenz fO der Bezugssignale B. Der Frequenzvervielfacher
V1 vervielfacht die Folgefrequenz fO um einen Faktor K-l, wobei K beispielsweise
einen Wert zwischen 100 und 1000 hat. An seinem Ausgang gibt der Frequenzvervielfacher
V1 Bezugssignale B1 mit der vervielfachten Folgefrequenz an den Mischer MR ab. Der
Frequenzvervielfacher V2 vervielfacht die Folgefrequenz der Meßsignale M um den
Faktor K und gibt an seinem Ausgang Meßsignale M1 mit der vervielfachten Folgefrequenz
an den Mischer MR ab. Der Mischer MR gibt an seinem Ausgang Signale S ab, deren
Folgefrequenz gleich ist der Summe aus der vorgegebenen konstanten Folgefrequenz
fO und der mit dem Faktor K multiplizierten Frequenzdifferenz zwischen den Folgefrequenzen
der Meßsignale M und der Bezugssignale B. Die Signale S werden der Auswerteeinrichtung
A1 zugeführt, die die Folgefrequenz der Meßsignale M ermittelt. Als Auswerteeinrichtung
kann ein handelsüblicher Zähler verwendet werden, dessen Auflösung um den Faktor
K erhöht wird. Mit dem im Handel erhältlichen -13 Computing Counter HP 5360A" ist
eine Auflösung von 2.10 13 pro Sekunde erzielbar Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält ebenfalls die Oszillatoren
OS1 und OS2, die die Bezugssignale B bzw. die Meßsignale M abgeben. Weiterhin enthält
die Schaltungsanordnung zwei Frequenzteiler FT1 und FT2, einen Phasendetektor PD,
einen Zähler ZA und gegebenenfalls eine Auswerteeinrichtung A2. Die Bezugssignale
B mit der vorgegebenen konstanten Folgefrequenz fO werden dem Frequenzteiler FT1
zugeführt. Der Frequenzteiler FT1 gibt an seinem Ausgang Bezugssignale B2 ab, deren
Folgefrequenz gleich ist der durch einen vorgegebenen Faktor N geteilten Folgefrequenz
fO. Die Meßsignale M liegen am Frequenzteiler FT2 an. Falls der Nennwert der Folgefrequenz
der Meßsignale M gleich ist der Folgefrequenz fo, führt der Frequenzteiler FT2 ebenfalls
eine Teilung durch den Faktor N durch und gibt an seinem Ausgang Meßsignale M2 ab,
deren Folge frequenz gleich ist der durch den Faktor N geteilten Folgefrequenz der
Meßsignale M.
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Die Bezugssignale B2 und die Meßsignale M2 liegen am Phasendetektor
PD an, der die Phasendifferenz zwischen den Bezugssignalen B2 und den Meßsignalen
M2 bildet. Der Phasendetektor PD ist beispielsweise als Flipflop ausgebildet, an
dessen Setzeingang die Bezugssignale B2 und an dessen Rücksetzeingang die Meßsignale
M2 anliegen. An seinem Ausgang gibt der Phasendetektor PD Phasensignale P ab, deren
Impulsdauern ti proportional sind den Phasendi=-ferenzen zwischen den Bezugssignalen
B2 und den Meßsignalen 'I2.
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Die Folgefrequenz der Phasensignale P ist gleich der Folgefrequenz
der Bezugssignale B2. Die Phasensignale P werden dem Zähler ZA zugeführt, der ein
handelsüblicher Frequenzzähler, wie beispielsweise der Frequenzzähler HP5327A sein
kann. Der Frequenz zähler mißt die Impulsdauern ti der Phasensignale P und führt
eine Mittelung der Impulsdauern ti während einer Torzeit T1 durch. Die Torzeit T1
ist vorzugsweise gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer der Phasensignale
P. Die Messung der Mittelwerte tim der Impulsdauern ti wird laufend wiederholt,
so daß man eine Meßreihe timl, tim2, tim3 ... erhält. Bei einer hinreichend großen
Torzeit T1 ist die Pause, die der Zähler ZA zwischen zwei Messungen macht, dabei
vernachlässigbar.
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Aus der Meßreihe wird die mittlere relative Frequenzabweichung während
einer Meßzeit T2, die vorzugsweise gleich ist einem ganzzahligen Vielfachen der
Torzeit T1 auf einfache Weise ermittelt.
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Hierzu ist lediglich eine Division der Änderung des Mittelwertes tim
während der Meßzeit T2 durch die Meßzeit T2 erforderlich. Zur Ermittlung der Änderung
der Mittelwerte tim wird beispielsweise die Differenz zwischen dem ersten und dem
letzten Mittelwert tim während der Meßzeit T2 gebildet.
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Dem Zähler ZA kann zur selbsttätigen Ermittlung der mittleren relativen
Frequenzdifferenz eine Auswerteeinrichtung A2 nachgeschaltet werden. Als Auswerteeinrichtung
A2 kann beispielsweise ein Tischrechner und ein graphisches Ausgabegerät für die
Darstellung der mittleren relativen Frequenzdifferenz als Funktion der Zeit vorgesehen
werden. Der Tischrechner kann aus den Meßwerten tim die Standardabweichung der mittleren
relativen Frequenzdifferenz für eine oder mehrere Meßzeiten T2 zugleich berechnen.
Die Ermittlung
der mittleren relativen Frequenzdifferenz kann auch
durch einen Beobachter erfolgen, der die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Mittelwerten tim bildet und diese Differenz durch die Meßzeit T2 dividiert.
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Falls die nominelle Folgefrequenz der Meßsignale M verschieden ist
von der Folgefrequenz der Bezugssignale, sind auch die Faktoren, durch die die Folgefrequenzen
mit Hilfe der Frequenzteiler FT1 und FT2 geteilt werden, verschieden. Die Ermittlung
der Phasendifferenz erfolgt dann beim größten gemeinsamen Vielfachen der beiden
Folgefrequenzen. Es ist auch möglich, die Bezugssignale B und die Meßsignale M dem
Phasendetektor PD ohne die Verwendung eines Frequenzteilers FT1 bzw. FT2 zuzuführen.
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Die Auflösung des Verfahrens hängt davon ab, über wieviel Periodendauern
die Impulsdauer ti der Phasensignale P gemittelt werden kann und welcher Zähler
ZA für deren Messung verwendet wird. Die Anzahl der Periodendauern wird durch die
Folgefrequenz fO, bei der der Phasenvergleich erfolgt und durch die Torzeit T1Nfestgelegt.
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Falls beispielsweise die Bezugssignale B2 und die Meßsignale M2 eine
Folgefrequenz von 1 MHz haben und die Impulsdauern ti über 105 Periodendauern gemittelt
werden, so erzielt ein Zähler ZA mit einer Zählfrequenz von 10 MHz eine absolute
Auflösung des Mittelwertes tim der Impulsdauern von 1 psec. Die Torzeit T1 beträgt
dabei 100 msec. Bei einer Meßzeit T2 von 1 sec besitzt die relative Auflösung der
mittleren relativen Frequenzdifferenz den Grenzwert 10'12 und bei einer Meßzeit
T2 von 100 sec den Grenzwert von 10'14 Der Grenzwert ist durch statistische Streuung
der Mittelwerte tim und durch Phasenänderungen in der Meßeinrichtung nicht zu erzielen;
die tatsächliche Meßgenauigkeit ist um den Faktor 5 ... 10 schlechter, die Auflösung
des Zählers wird um den Faktor 1 ... 2 ... 104 erhöht. Die Meßgenauigkeit wird durch
eine zum Phasensignal P nicht kohärente Zählfrequenz des Zählers wesentlich verbessert.
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Ein Vorteil des Verfahrens ist die leichte Uberprüfung der Meßgenauigkeit,
bei der an beide Eingänge dieselbe Bezugsfrequenz gelegt wird und damit die Frequenzänderungen
der gesamten Meßeinrichtung gemessen wird.
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Bei den in Fig. 3 dargestellten Zeitdiagrammen an verschiedenen Punkten
der Schaltungsanordnung sind in Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung
die Momentanwerte der Signale dargestellt.
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Die dargestellten Signale sind Binärsignale, die nur die Werte 0 oder
1 annehmen.
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Zum Zeitpunkt t1 nimmt das Bezugssignal B2 den Binärwert 1 an.
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Falls der Phasendetektor PD aus einem Flipflop gebildet wird, dessen
Setzeingang die Bezugs signale B2 und dessen Rücksetzeingang die Meßsignale M2 zugeführt
werden, wird das Flipflop durch das Bezugssignal B2 zum Zeitpunkt tl gesetzt und
das Phasensignal P nimmt zum Zeitpunkt tl den Binärwert 1 an. Zum Zeitpunkt t2 nimmt
das Meßsignal M2 ebenfalls den Binärwert 1 an und das Flipflop im Phasendetektor
PD wird zurückgesetzt, so daß auch das Phasensignal P zum Zeitpunkt t2 den Binärwert
0 annimmt. Die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten tl und t2 stellt die Impulsdauer
til des Phasensignals P dar. Es wird angenommen, daß zum Zeitpunkt tl die Torzeit
T1 für die Ermittlung des Mittelwertes tim und die Meßzeit T2 beginnen.
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In ähnlicher Weise wie zum Zeitpunkt t1 werden zu den Zeitpunkten
t3 bis t2n-1 Phasensignale P erzeugt, deren Impulsdauern ti2 bis tin für die Mittelung
während der Torzeit T1 herangezogen werden.
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Zum Zeitpunkt t2n endet die Torzeit T1 und am Ausgang des Zählers
ZA steht der Mittelwert timl, der Impulsdauern til bis tin zur Verfügung. In ähnlicher
Weise werden fortlaufend weitere Mittelwerte tim gebildet. Aus der Differenz zwischen
einem Mittelwert und einem nach der Zeit T2 folgenden Mittelwert wird die mittlere
relative Frequenzdifferenz gebildet, deren Vorzeichen aus der Schaltungsanordnung
eindeutig ermittelt werden kann. Gegebenenfalls kann die Ermittlung der Mittelwerte
tim auf den ersten und den letzten Mittelwert tim während jeder Meßzeit T2 beschränkt
werden.
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Die in Fig. 4 dargestellte Schaltungsanordnung dient zum gleichzeitigen
Messen der Phasen- und Frequenzdifferenzen zwischen den Bezugssignalen B und einer
Mehrzahl von Meßsignalen, die von Oszillatoren OS2 bis OSn abgegeben werden, Den
Oszillatoren OS1 bis OSn sind Frequenzteiler FT1 bis FTn nachgeschaltet, um die
Folge-
frequenzen der vom Oszillator Os1 abgegebenen Bezugssignale
B und der von den Oszillatoren OS2 bis OSn abgegebenen Meßsignale einander anzugleichen.
Die am Frequenzteiler FT1 abgegebenen Bezugssignale B2 werden ersten Eingängen von
Phasendetektoren PD1 bis PD(n-i) zugeführt. An den zweiten Eingängen der Phasendetektoren
PD1 bis PDn-1 liegen die von den Frequenzteilern FT2 bis FTn abgegebenen Signale
an. Die Ausgänge der Phasendetektoren PD1 bis PD(n-1) sind mit den Eingängen eines
Multiplexers MX verbunden, der die von den Phasendetektoren PD1 bis PD(n-1) abgegebenen
Phasensignale zeitlich nacheinander zum Messen der jeweiligen Phasendifferenz und
zur Mittelung der Impulsdauern der Phasensignale an den Zähler ZA abgibt. Der Zähler
ZA steuert mit Hilfe eines Umschaltsignals U, das das Ende der Torzeit T1 angibt,
die Durchschaltung der Phasensignale von den Eingängen des Multiplexers MX zu seinem
Ausgang. Über einen Eingang des Multiplexers kann dem Zähler außerdem ein mit Hilfe
eines Synchronsignalgenerators SG erzeugtes Synchronsignal zugeführt werden, das
die eindeutige Zuordnung der Meßwerte tim zum jeweiligen Oszillator ermöglicht.
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Am Ausgang des Zählers ZA werden zeitlich nacheinander die innerhalb
der vorgegebenen Torzeit T1 ermittelten Mittelwerte der Impulsdauern der von jeweils
einem der Phasendetektoren PD1 bis PD(n-1) abgegebenen Phasensignale abgegeben.
Aus der Änderung der Mittelwerte tim der Impulsdauern ti der von jeweils einem der
Phasendetektoren PD1 bis PD(n-1) abgegebenen Phasensignale während der Meßzeit T2
wird die Frequenzdifferenz zwischen den Bezugssignalen B und den jeweiligen Meßsignalen
ermittelt. Auch bei dieser Schaltungsanordnung kann dem Zähler ZA eine Auswerteeinrichtung
A3 nachgeschaltet werden, die die (n-1) Meßwerte ermittelt und aufzeichnet.
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10 Patentansprüche 4 Figuren