DE3039840C2

DE3039840C2 - Zeitintervall-Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE3039840C2
Application number: DE3039840A
Authority: DE
Inventors: Bruce W. Beaverton Oreg. Blair
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1979-10-25
Filing date: 1980-10-22
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE3039840A1; GB2063489B; GB2063489A; NL188370B; US4301360A; FR2468153B1; JPS5666787A; CA1135515A; FR2468153A1; JPS634674B2; NL188370C; NL8004993A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zeitintervall-Meßvorrichtung für die Messung eines zwischen einem Startsigna! und einem Stopsignal sich erstreckenden ersten Zeitinfervalls, wobei einer Sleuerschaltungsanordnung in dem ersten Zeitintervall Beginn und Ende eines dem Zeitintervall proportionalen, in einer Zeitschaltung erzeugten ersten Signals bestimmt und in einem auf das Stopsignal folgenden zweiten Zeitintervall Beginn und Ende eines dem zweiten Zeitintervall proportionalen, von der Zeitschaltung erzeugten zweiten Signals festlegt, das einen gegenüber dem ersten Signal um einen konstanten Faktor zeitlich gedehnten Verlauf hat und dessen Dauer von einer Meßvorrichtung erfaßt wird.

Eine derartige Zeitintervail-Meßvorrichtung ist bekannt (US-PS 31 33 189). Mit der Meßvorrichtung wird jeweils ein Bruchteil der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen einer periodischen Impulsfolge genau gemessen. Ein zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen der Impulsfolge erzeugtes Startsignal leitet den Strom einer Konstantstromquelle in einen Kondensator, bis der nächste Impuls der Impulsfolge als Stopsignal den Kondensator auf eine zweite Konstantstromquelle umschaltet, die den Kondensator gegenüber der Aufladung zeitlich gedehnt entlädt. Die Dauer der Zeit zwischen dem Stopsignal und der Entladung des Kondensators wird durch die Zählung von Taktimpulsen gemessen. Der Zählwert steht nach der Entladung als Bruchzahl zur Verfügung, die das Verhältnis zwischen der gemessenen Zeit und der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen der Impulsfolge angibt. Die Impulse werden in einem digitalen Zähler aufsummiert. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zählzeit werden dem Zählerinhalt die Bruchteile für die Zeit zwischen dem Startsignal und dem ersten Zählimpuls sowie der Bruchteil für die Zeit zwischen dem letzten Zählimpuls und einem zweiten Stopsignal hinzugefügt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zeitintervall-Meßvorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß der Meßwert für das Zeitintervall zwischen dem Start- und

dem Stopsignal in einer absoluten Zeiteinheit erzeugt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch I beschriebenen Maßnahmen gelöst. Mit dieser Zeitintervall-Meßvorrichtung können sehr kurze, im Bereich unterhalb von Mikrosekunden liegende Zeitintervalle genau mit langsamer arbeitenden Takt- und Zählerschaltungen gemessen werden. Es wird eine einfache, kostengünstige Zeitintervall-Meßvorrichtung zur Messung extrem kurzer Zeitintervalle verfügbar ■ <> gemacht, mit der z. B. die Zeitdifferenz zwischen einem von einem Eingangssignal abgeleiteten Triggerinipuls und der nächsten folgenden Flanke eines Abtast-Uhrimpulses in einem digitalen Oszilloskop erfaßt werden kann.

Bei einer Zeitintervall-Meßvorrichtung, die eine Zeitschaltung mit einem Kondensator und mit zwei Konstantstromquellen enthält, die jeweils im ersten und im zweiten Zeitabschnitt Ströme in den Kondensator einspeisen, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die Steuerschaltungsanordnung Transistorschalter zur Verbindung der ersten Konstantstromquelle mit dem Kondensator nach dem Empfang des Startsignals und zur Abtrennung der ersten Konstantstromqueile vom Kondensator bei gleichzeitiger Verbindung der zweiten Konstantstromquelle mit dem Kondensator nach Empfang des Stopsignals aufweist.

Eine Zeitintervall-Meßvorrichtung mit einer Zeitsteuerschaitung, die am Kondensator ein mit einer ersten festlegbaren Rate schnell ansteigendes Rampensignal erzeugt, ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Zeitsteuerschaltung am Kondensator nach dem Stopsignal ein mit einer zweiten festlegbaren Rate langsam ansteigendes Rampensignal erzeugt, daß die Rampensignale zwischen einer ersten und einer zweiten ~a Referenzspannung liegen, daß das erste Rampensignal von der ersten Referenzspannung aus ansteigt und vom Stopsignal an einem Wert beendet wird, der zwischen der ersten und zweiten Referenzspannung liegt, daß das vom Stopsignal ausgelöste Rampensignal bei Erreichen ^⁰ der zweiten Referenzspannung beendet wird und daß die Zeitdauer zwischen der ersten und zweiten Referenzspannung durch die festlegbare kate des zweiten langsam ansteigenden Rampensignals bestimmt ist.

Zu Beginn des Intervalls, beispielsweise nach Empfang eines Triggersignals, beginnt die Ladung der Kapazität, und zwar mit der schnelleren Rate. Am Ende des Intervalls, beispielsweise nach Empfang der Flanke eines Abtasttaktimpulses, wird die Ladungsrate umge- ^5Ü schaltet und die weitere Ladung der Kapazität wird mit der langsameren Rate fortgesetzt. Ebenfalls am Intervallende wird ein Zähler zur Registrierung von Taktimpulsen während der Zeit des Ladungszyklus der Kapazität eingeschaltet, in der mit der langsameren Rate geladen wird. Der Zähler wird gestoppt, wenn die Kapazität auf einen festlegbaren Spannungspegel entsprechend dem maximalen Zeitintervall aufgeladen ist. Die Anzahl der bei der langsameren Ladungsrate gezählten Impulse wird mit dem Verhältnis der schnellen zur langsamen Ladungsrate skaliert, im Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform durch 100 dividiert, um so das gemessene Zeitintervall zu erhalten, das nachfolgend von dem festlegbaren maximalen Zeitintervall subtrahiert wird, wodurch schließlich die *" gewünschte Messung des Zeitintervalls zwischen den beiden Ereignissen vorliegt.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind in den Ansprüchen 3,4,5,7 und 8 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt

Fig. I ein Blockschaltbild einer Zeitintervall-Meßvorrichtung,

Fig.2 ein Zeitdiagramm zur Verdeutlichung der Zeitintervallmessung.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Zeitintervall-Meßvorrichtung zur Bestimmung der zwischen einem mit einem Eingangssignal verbundenen Triggerimpuls und der nächstfolgenden Impulsflanke einer Abtastuhr in einem digitalen Oszilloskop verstrichenen Zeit zur Verfügung, mit der die aus dem Fehler von ± einer halben Abtastperiode resultierenden Schwankungen korrigiert werden können. Fig. 1 zeigt ein Paar fiankengesteuerter D-Flip-Flops 10 und 12, die den Betrieb der Zeitintervall-Meßvorrichtung in Abhängigkeit von einem Triggersignal, das an einen Eingangsanschluß 18 anlegt ist, steuern. Die Betriebsweise der Schaltung wirJ detailliert nachstehend im Zusammenhang mit Fig. 2 dargestellt.

Ein Paar von Stromquellen 20 und 22 versorgt einen zeitbestimmenden Kondensator 24 mit einem konstanten Ladeitrom. Die Stromquelle 20 ist zwischen eine passende Quelle einer positiven Versorgungsspannung, beispielsweise +12 Volt, und die Emitte^r eines emittergekoppelten Paares von Transistoren 28 und 30 geschaltet. Die Stromquelle 22 ist zwischen der +12 Volt-Spannungsversorgung und den Emitter eines zweiten emittergekoppelten Paares von Transistoren 32 und 34 angeschlossen. Diese emittergekoppelten Transistoren bewirken ein Umschalten des Stromes, wie nachstehend beschrieben wird und schalten jeweils zu einer gegebenen Zeit nur eine der beiden Stromquellen 20 und 22 auf den Zeitsteuer-Kondensator 24. Die Basen der Transistoren 30 und 32 sind zusammen an einen passenden Pegel einer Referenzspannung angelegt, ihre Kollektoren sind miteinander und mit einer Seite der Kapazität 24 verbunden, deren anderer Anschluß auf Erdpotential liegt. Die Kollektoren der Transistoren 28 und 34 sind beide an Erdpotential gelegt. Ihre Basen sind mit den Q- bzw. (p'-Ausgängen des Flip-Flops 12 verbunden.

Der invertierende (—) Eingangeines Komparator 40 ist mit dem nicht auf Erdpotential liegenden Anschluß der Kapazität 24 verbunden, sein nichtinvertierender ( + ) Eingang liegt an einer präzisen Referenzspannung. Der Ausgang des Komparators 40 ist an einen Eingang eines UND-Gatters 4-2 angeschlossen. Ein Takt-Signal ist über einen Anschluß 44 an einen zweiten Eingang des UND-Gatters angeschlossen. Der Ausgang des UND-Ga'ter. 4J ist mit dem Triggereingang eines Binärzählers 48 verbunden. Der Q'-Ausgang des Flip-Flops 12 ist an den Löscheingang des Zählers 48 angelegt. Die vom Zähler 48 registrierten Impulse werden als Datenmenge an einen Prozessorschaltkreis, beispielsweise einen Mikroprozessor (μ?) 50 weitergeleitet.

Die zeitsteuernde Kapazität 24 kann durch einen Transistor 54, dessen Kollektor und Emitter die Kapazität überbrücken, zurückgesetzt werden. Die Basis des Transistors 54 ist über die Parallelschaltung des Widerstands 56 und der Kapazität 58 an den (^'-Ausgang des Flin-Flops 10 angeschlossen. Ein Widerstand 60 verbindet die Basis des Transistors 54 mit einer passenden Quelle negativer Spannung, beispielsweise -12VoIt und bewirkt so, daß der Transistor

normalerweise abgeschaltet ist. Der Transistor 54 ist als bipolarer Transistor dargestellt, kann jedoch ebensogut ein Feldeffekttransistor sein.

Die Schaltung arbeitet wie nachstehend beschrieben: Anfangs wird Flip-Flop 10 zurückgesetzt, so daß sein φ-Ausgang niedrig und sein (^'-Ausgang hochgcset/i ist. Transistor 54 wird bis zur Sättigung eingeschalte! und hält so den zeitsteuernden Kondensator 24 im vollständig entladenen Zustand. Flip-Flop 12 wird durch den niedrigen <?-Ausgangsinipuls des Flip-Flops 10 w zurückgesetzt, so daß sein (^-Ausgang niedrig und sein (^'■Ausgang hoch liegt. Die Transistoren 30 und 34 werden ein-. Transistoren 28 und 32 ausgeschaltet, so claCI Strom von der Stromquelle 20 durch die Transistoren 30 und 54 und Strom von der Stromquelle ι ·

23 durch Transistor 34 gegen Erde fließt. Damit ist der nicht-erdseitige Anschluß des Zeitsteuer-Kondensators

24 virtuell geerdet und der Ausgang des Komparators Λη γ.™.** hoch se d2^ Uhr- !nioüise ''¹¹^h ^fins UND-Gatter 42 an den Zähler gelangen können, der .'< < durch den hochgesetzten Q'-Ausgang des Flip-Flops 12 in einem zurückgesetzten Betriebszustand gehalten wird und so keine Zählimpulse am Ausgang produziert. Dies beendet die Anfangsbedingungen für die Zeitintervallschaltung.

Eici Empfang eines Triggersignals am Anschluß 16 wechseln die Ausgänge des Flip-Flops 10 ihren Zustand, lösen Flip-Flop 12 und den Transistor 54. Transistor 54 schallet ab und läßt den gesamten Strom aus der Stromquelle 20 in den Zeitsteuer-Kondensator 24 in fließen. Die Ladungsspannung als Funktion der Zeit innerhalb eines festlegbaren Zeitfensters für den Kondensator 24 ist in F i g. 2 dargestellt, wobei der Trii'gerpunkt 80 be. einem Zeitpunkt to liegt. Erfolgte die Ladung in dieser Rate vollständig bis zu dem π 2 Volt-Umschaltpegel des Komparators 40, würde der 2 Volt-Punkt innerhalb eines festlegbaren Zeitintervalls It erreicht, das in der bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen den Werten tr = 200 ns (Nanosekunden). 100 ns oder 40 ns -«> wählbar ist. Diese Zeitintervalle tr wurden für die vorliegende Ausführungsform so ausgewählt, daß sie die Messung der Zeitdifferenz zwischen einem Triggersignal und der nächstfolgenden Flanke eines Abtast-Uhr-Impulses bei verschiedenen Abtastraten ermöglichen, -n wobei die Abtastrate der Uhr 5, 10 und 25 MHz beträgt.

Zu einem Zeitpunkt innerhalb des Zeitintervalls t_T erscheint die Flanke des Uhr-Abtast-Impulses, veranlaß! die Q- und (^'-Ausgänge des Flip-Flops 12 zum Umschalten ihres Zustandes, schaltet die Transistoren >» 28 und 32 ein,Transistoren 30 und 34 ab und entfernt das Rüeksetz-Signal von Zähler 48. An diesem Punkt, der in F i g. 2 als Knick 82 dargestellt ist, fließt Strom von der Stromquelle 22 in den Kondensator während Strom von der Stromquelle 20 gegen Erde durch den nun leitenden Transistor 28 fließt. In der bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die Stromquelle 20 eine Stromstärke von 1OmA zur Verfügung. Stromquelle 22 dagegen 100 μ.Α. so daß ein präzises Skalierungsverhältnis von 100 zu I zwischen beiden Stromquellen besteht. Nach Empfang der Flanke des Uhr-Abtast-Impulses lädt sich daher der Zeitstcuer-Kondensator bis zur 2 Volt-Grenze mit einer hundertfach langsameren Rate, und während dieser Zeit zählt der Zähler, der nicht langer zurückgesetzt ist. die K)MII/ Uhr Impulse, die über das UND-Gatter 42 anliegen. Die langsamere Ladungsrate is! als gestrichelte Linie 84 in I i g. 2 dargestellt, zur Verdeutlichung ist dort das Verhältnis der Steigungen ungefähr 10 zu I. Das für einen Meßvorgang tatsächlich gewählte Verhältnis hängt von den Meßbedingungen und der gewünschten Meßgenauigkeit ab.

!s! '.!or Z'?i'MO'.'C^r-Kiinili_'n<.:'ii>r ?4 Hk /um 2 Volt-Pegel aufgeladen, schalte! Komparator 40. dessen Ausgang tiefgeset/.t wird, so daß das UND-Gatter 42 die Weiterleitung der Uhr-Impulse zum Zähler 48 blockiert. Zu diesem Zeitpunkt repräsentiert der Inhalt des Zählers 48. der durch Zählen während des expandierten t₂ Intervalls entstanden ist. das tatsächliche Zeitintervall /: wegen der präzisen Skalierung. Dies bedeutet, daß jede Zählung von l<)0 ns bei dem laiurnmen Ladungsstrom äquivalent einer Nanosckunde bei dem schnellen Ladungsstrom ist. Der Mikroprozessor 50 subtrahiert das t₂ Intervall von dem festlegbaren Zeitintervalle Iu um so das Zeitintervall U zwischen den beiden Ereignir-en. nämlich dem Triggersignal und der Flanke des Abtast-Uhr-Impulses, zu erhalten.

Weiterhin kann der Mikroprozessor 50 auch zur Beseitigung von Schaltungsungenauigkeiten dienen. Ist beispielsweise der Transistor 54 im gesättigten Zustand, kann der Kondensator 24 tatsächlich noch eine Spannung von einigen Zehntel Volt aufweisen, wodurch ein Nachsteuern der Vergleichs-Referenzspannung nötig wird, damit ein präzises Zeitintervall-Fenster von 2 Volt zur Verfügung gestellt wird. Der Mikroprozessor kann dadurch diesen Offset korrigieren, das er minimale und maximale Zählraten in aufeinanderfolgenden Zyklen registriert und die Rohdaten justiert.

Die Zeitintervall-Meßvorrichtung wird gelöscht und auf die Anfangsbedingungen zurückgesetzt durch Anlegen eines Initialisierungs-Signals an den Löscheingang des Flip-Flops 10. Das Initialisierungs-Signal kann auf unterschiedliche Weise nach Umwandlung des Zählsignals in eine Meßgröße erzeugt werdi.·.. In der bevorzugten Ausführungsform wird es vom Mikroprozessor 50 erzeugt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zeitintervall-Meßvorrichtung für die Messung eines zwischen einem Startsignal und einem Stopsignal sich erstreckenden ersten Zeitintervalls, ■-, wobei eine Steuerschaltungsanordnung in dem ersten Zeitintervall Beginn und Ende eines einem Zeitintervall proportionalen, in einer Zeitschaltung erzeugten ersten Signals bestimmt und in einem auf das Stopsignal folgenden zweiten Zeitintervall ι ο Beginn und Ende eines dem zweiten Zeitintervall proportionalen, von der Zeitschaltung erzeugten zweiten Signals festlegt, das einen gegenüber dem ersten Signal um einen konstanten Faktor zeitlich gedehnten Verlauf hat und dessen Dauer von einer ι, Meßvorrichtung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein fest vorgegebenes Zeitfenster (It) vorgesehen ist, dem ein konstanter Wert zugeordnet ist, der dem während der gesamten Dauer des Zeitfensters (ti) sich ergebenden Wert des zweiten Signals (84) entspricht, daß dieser Wert konstant in einer Rechenvorrichiung (50) gespeichert ist, daß die Dauer des zweiten Signals ab dem Stopsignal bis zu einer Schwelle gemessen wird, die der dem konstanten Wert zugeordneten Schwelle des zweiten Signals entspricht, und daß der Meßwert, der der Daüsr des zweiten Signals entspricht, von einer Prozessorschaltung (50) vom konstanten Wert subtrahiert wird.

2. Zeitintervall-Meßvorrichtung, die eine Zeitschaltung mit einem Kondensator und mit zwei Konstau.stromquellen enthält, die jeweils im ersten und im zweiter Zeitif'.ervall Ströme in den Kondensator einspeisen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ste-erschaltungsanordnung Transistorschalter (28,30,3z, 34) zur Verbindung der ersten Konstantstromquelle (20) mit dem Kondensator (24) nach dem Empfang des Startsignals und zur Abtrennung der ersten Konstantstromquelle (20) vom Kondensator bei gleichzeitger Verbindung der zweiten Konstantstromquelle (22) mit dem Kondensator (24) nach Empfang des Stopsignals aufweist.

3. Zeitintervall-Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitschaltung weiterhin einen Komparator (40) aufweist, dessen einer Eingang mit dem Kondensator (24) und dessen zweiter Eingang mit einer Referenzspannung verbunden ist, mit der die obere Grenze des Zeitfensters festgelegt ist.

4. Zeitintervall-Meßvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, da'.J die Steuerschaltung eine Vorrichtung (54) zum Halten des Kondensators in einem festlegbaren Ladungszustand bis zum Empfang des Startsignals aufweist.

5. Zeitintervall-Meßvorrichtung mit einer Meßvorrichtung für das zweite Signal, die einen Zähler für Taktimpulse aufweist, der bei Empfang des Stopsignals eingeschaltet wird, nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (48) dann ausgeschaltet wird, wenn die obere Grenze des festgelegten Zeitfensters erreicht ist,

6. Zeitintervall-Meßvorrichtung mit einer Zeitsteuerschaltung, die am Kondensator ein mit einer ersten festlegbaren Rate schnell ansteigendes Rampensignal erzeugt, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuerschaltung am Kondensator nach dem Stopsignal ein mit einer zweiten festlegbaren Rate langsam ansteigendes Rampensignal erzeugt, daß die Rampensignale zwischen einer ersten und einer zweiten Referenzspannung liegen, daß das erste Rampensignal von der ersten Referenzspannung aus ansteigt und vom Stopsignal an einem Wert beendet wird, der zwischen der ersten und zweiten Referenzspannung liegt, daß das vom Stopsignal ausgelöste Rampensignal bei Erreichen der zweiten Referenzspannung beendet wird und daß die Zeitdauer zwischen der ersten und zweiten Referenzspannung durch die festlegbare Rate des zweiten langsam ansteigenden Rampensignals bestimmt ist.

7. Zeitintervall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators (40) an den Zähler (48) für die Messung des durch das langsam ansteigende Rampensignal bestimmten zweiten Zeitintervalls angelegt ist.

8. Zeitintervall-Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (48) durch den Startimpuls eingeschaltet und durch das Ausgangssignal des Komparators (40) ausgeschaltet wird.