DE3018463A1 - Wandler und verfahren zur umwandlung eines eingangssignals in eine digitalzahl - Google Patents

Description

- 4 Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wandler und ein Verfahren zur Umwandlung eines Eingangssignals, dessen Frequenz sich als Funktion eines zu messenden Parameters ändert, in eine durch einen digitalen Computer zu verarbeitenden Digitalzahl. Insbesondere handelt es sich dabei um die genaue und schnelle Umwandlung eines Eingangssignals, dessen Frequenz sich als Funktion eines zu messenden Parameters ändert, in eine Bit-parallele Zahl zur Verarbeitung in einem digitalen Computer.

In einer typischen Prozeßregelschleife wird ein strömendes Medium durch ein Regelventil oder ein Endregelelement in eine Prozeßlast geleitet. Ein automatischer elektronischer Regierest eine Komponente in einer Prozeßregelschleife, welche Störungen· unterworfen ist, wobei der Regler eine Prozeßvariable, wie beispielsweise Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, Druck, Feuchtigkeit oder Flüssigkeitspegel auf einem gewünschten Wert hält. Zu diesem Zweck empfängt der Regler sowohl den gewünschten Wert bzw. den Sollpunkt als auch die Prozeßvariable und vergleicht diese Werte zwecks Erzeugung eines Ausgangssignals, das vom Fehler zwischen diesen Werten abhängt. Das Ausgangssignal wirkt auf das Endregelelement im Sinne der Korrektur dieses Fehlers ein. Automatische Regler werden generell nach der Art der Regelwirkung oder den durch sie durchgeführten Regelbetriebsarten, wie beispielsweise dem Proportionalstellungsbetrieb, dem Proportional-Plusrücksetzbetrieb und dem Proportional-Plusgeschwindigkeitsbetrieb klassifiziert.

Anstelle von einzelnen Prozeßregelschleifen, bei denen jeweils eine Schleife für jeden erfaßten und geregelten Parameter vorgesehen ist, wird heute in vielen großen chemischen Prozeßanlagen und anderen Industrieanlagen ein direktes digitales

Q30048/07U

■ ■""- "_■:'--■■- ■■■-."■ .■.'.■ . - 5 -

Regelsystem (DDC-System) verwendet, in dem zur Durchführung der Funktionen, welche früher durch einzelne elektronische Regler mit jeweils einem Regler für jeweils eine Schleife durchgeführt wurden, ein digitaler Computer auf Mehrbenutzerbzw. Multiplexbasis verwendet.

Da in der typischen Prozeßregelschleife der durch einen Primärwandler ,gemessene Parameter durch ein Analogsignal gegeben ist und das Endregelelement durch ein vom elektronischen Regler geliefertes Analogsignal betätigt wird, ist es in einem einer Gruppe von Primärwandler und einer zugehörigen Gruppe von Endregelelementen zugeordneten DDC-System notwendig, die Analogsignale von dem Primärwandler in entsprechende Digitalwerte für die Verarbeitung durch den digitalen Computer zu überführen und die digitale Ausgangsgröße des Computers ebenfalls in Analogsignale zu Betätigung der Endregelelemente zu überführen.

Ist beispielsweise die Prozeßvariable eine sich ändernde Temperatur, welche:der Primärwandler als Spannungs- oder Stromsignal entsprechender Größe oder Intensität darstellt, so muß dieses Eingangssignal in einem DDC-System in einen Digitalwert überführt werden. Auf diese Weise kann der Digitalcomputer in dem System, welcher zur Abarbeitung eines in seinem Speicher vorhandenen Programms dient, den Digitalwert verarbeiten, um eine Ausgangsgröße zur Durchführung der gewünschten Regelfunktion zu erzeugen. Werden jedoch die durch die Primär<wandler erfaßten Prozeßvariablen durch Signale repräsentiert, deren Frequenzen sich, als Funktion der gemessenen Parameter ändern, so muß das DDC-System einen Frequenz-Binär-Wandler enthalten. _

So erzeugt beispielsweise ein Wirbelströmungsmesser oder ein Prallströmungsmesser zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Strömungsrohr strömenden Mediums ein Ausgangs-

030048/07A4

signal, dessen Frequenz von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Derartige Strömungsmesser sind beispielsweise in der US-PS 3 854 334 beschrieben. In gleicher Weise liefern Turbinen-MeßinStrumente ein Ausgangssignal, das proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist.

Wenn die in ein DDC-System eingegebenen Eingangssignale von einer Gruppe von Primärwandlern gewonnen werden, welche Signals mit sich ändernder Frequenz liefern, so müssen diese Signale in einen Multiplexer eingegeben werden, welcher die Signale in Sequenz tastet und jeden Signaltastwert in einen Frequenz-Binär-Wandler eingibt, welcher jeden Tastwert in eine Bit-parallele Binärzahl überführt, welche durch den Digitalcomputer gelesen wird.

Die digitale Ausgangsgröße des Computers in einen DDC-System wird als Funktion jedes ankommenden Signaltastwertes in einen analogen Signaltastwert überführt, um das Endregelelement in der Prozeßregelschleife zu betätigen, welche den das in Frage stehende ankommende Signal erzeugenden Primärwandler enthält. Im Ausgang des Systems müssen die analogen Signaltastwerte, welche im Verlauf eines Multiplexer-Tastzyklus in Sequenz auftreten, bis zum nächsten Tastzyklus auf ihren vorhandenen Werten gehalten werden, so daß die Endregelelemente als Funktion der vorhandenen Werte gehalten werden, bis neue Werte durch den Computer geliefert werden. Diese Haltewirkung gilt auch für die digitalen Auslesungen des Computers.

Die Fähigkeit eines DDC-Systems zur Handhabung einer großen Anzahl von Prozeßregelschleifen auf einer Multiplexbasis hängt hauptsächlich von der Geschwindigkeit und der Genauigkeit des Frequenz-Binär-Wandlers ab. Kann diese Wandlung mit hoher Geschwindigkeit genau ausgeführt werden, so können viele ankommende Frequenzen im Verlaufe eines kurzen Tastzyklus getastet und verarbeitet werden. Da die entsprechenden analogen und digitalen

0300A8/0744

—. *7 —

Ausgangswerte des.Computers zwischen Tastzyklen konstant gehalten werden, führt dies für alle Zwecke zu gleichzeitigen Echtzeit-Ausgangsgrößen,

Um ein grobes Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Zeit, welche zur Durchführung der Frequenz-Binär-Wandlung erforderlieh ist, und der Fähigkeit eines DDC-Systems zur Handhabung einer größen. Zahl von Eingangsfrequenzen zu geben, sei angenommen ,, daß in jedem Multiplex-Zyklus .100 abzutastende Eingangsfrequenzen vorhanden sind, und daß für jede Wandlung eine Zehntel Senkunde erforderlich ist. In diesem Falle dauert es TO s j üm\ die.-Tastung vollständig durchzuführen, wobei in bezug auf jede analoge Ausgangstastung zwischen aufeinanderfolgenden Tastungen eine Pause von vollen 10 s vorhanden ist. Dies ergibt sicherlich keine Echtzeit-Ausgangsgröße. Würde es andererseits lediglich eine Tausendstel Sekunde dauern, um eine Frequenz-Binär-Wandlung abzuschließen, so wäre zwischen aufeinanderfolgenden Tastungen lediglich eine Pause von 1/10 s:vorhanden, womit eine Annäherung an Echtzeit-Bedingungen gewährleistet wäre.

Um ein DDC-System zur Handhabung von Eingangssignalen von Primärwandlern mit variabler Frequenz an die Praxis anzupassen, ist es wesentlich, daß die Frequenz-Binär-Wandlung schnell und genau ist.

Es sind zwei in großem Umfang verwendete Verfahren zur Durchführung der Frequenz-Binär-Wandlung bekanntgeworden. Das erste bekannte Verfahren basiert auf einer Frequenzzählung und arbeitet in einfacher Weise derart, daß die Anzahl von Zyklen gezählt wird, welche in einer vorgegebenen Zeitperiode auftreten, wobei die Zählung eine die Frequenz repräsentierende Zahl liefert. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß zur Erzielung einer hohen Auflösung eine große Anzahl von Zyklen gezählt werden muß. Um einen Teil in 1000 aufzulösen, müssen 1000 Zyklen gezählt werden.

0 30 048/0744

Liegen die Signalfrequenzen in einem hohen Frequenzbereich, so ist dieser Nachteil nicht schwerwiegend. Für niedrige Frequenzen ist jedoch die Zählzeitperiode notwendigerweise sehr lange.

Das zweite bekannte Verfahren ist weit schneller, da die Frequenz-Binär-Wandlung durch Messung der Zeit durchgeführt wird, welche zur Vervollständigung eines einzigen Zyklus der umzuwandlenden Frequenz erforderlich ist. Dabei entsteht jedoch ein schwerwiegendes Problem, wenn hohe Frequenzen in Betracht kommen, da dann sehr kleine Zeitinkremente aufgelöst werden müssen. Ist beispielsweise die ankommende Frequenz gleich 1000 Hz, so ist die zu messende Periode gleich 0,001 s. Um 0,001 s mit einer Auflösung von 1 % zu messen, ist die Auflösung einer \xs erforderlich.

Die beiden genannten Wandlungsmethoden besitzen den Nachteil, daß sich die zur Vervollständigung der Messung notwendige Zeit mit der ankommenden Frequenz ändert, so daß hohe Frequenzen schnell gemessen werden können, während tiefere Frequenzen proportional längere Zeiten erfordern. Dies kann ein schwerwiegender Nachteil sein, wenn die zur Durchführung der Messung zur Verfügung stehende Zeit begrenzt ist und Schwebungen von Periode zu Periode der ankommenden Frequenz eine Periodenausmittlung erfordert.

In den US-Patentschriften 3 928 797, 3 929 798, 3 829 785, 3 997 764 und 3 609 756 sind Möglichkeiten der Frequenz-Binär-Wandlung beschrieben. Insbesondere die in der US-PS .3 829 785 beschriebenen Maßnahmen sind von speziellem Interesse, da ein Wandler beschrieben wird, mit dem die Frequenz und die Periode eines Signals während eines Meßzeitintervalls mit Hilfe einer Kette von Zählschaltungen gemessen wird, an deren Ausgänge eine arithmetische Einheit geschaltet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

030048/074-4

mit einem Digita!computer zusammenarbeitenden Frequenz-Binär-Wandler anzugeben, mit dem ein ankommendes Signal unbekannter Frequenz schnell und genau in eine Bit-parallele Binärzahl zur: Verarbeitung durch den Computer überführt werden kann.

Insbesondere soll ein derartiger Wandler Messungen an einem Signal unbekannter Frequenz während eines festen Zeitintervalls in einer Weise durchführen, daß die Zeit zur Durchführung der Messungen nicht von der Frequenz des zu wandelnden Signals abhängt.

Schließlich soll der Wandler relativ einfach und damit billig sein und wirksam und zuverlässig arbeiten.

Die vorstehende Aufgabe wird bei einem Wandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende" Merkmale gelöst: Eine Eingangssignal-Formerschaltung zur Erzeugung einer kontinuierlichen Folge von Rechtecksignal-Perioden, jeweils mit einer Vorderflanke beginnend,

eine Schaltung zum Erwirken einer Messung während eines Zeitinteryalls, das eine feste Dauer besitzt, welche ein vorgegebenes Vielfaches einer vorgegebenen Zeiteinheit ist, und das unabhängig von der Frequenz des Eingangssignals und mit dieser nicht synchronisiert ist, wodurch während desjenigen Ausschnitts der kontinuierlichen Folge, welche zwischen den Start- und den Endpunkt des Zeitintervalls fällt, eine Messung erfolgt, .■■..-

eine Schaltung zur Messung folgender Faktoren während des Zeitintervalls: ." . .""■■"■

(1) die Zahl der Zahleinheiten, welche zwischen dem Startpünkt und der Vorderflanke der ersten vollständigen Signalperiode im Ausschnitt auftritt,

(2) die Zahl von im Ausschnitt liegenden vollständigen Signalperioden,und

0300A8/0744

(3) die Zahl von Zeiteinheiten, welche zwischen der letzten im Ausschnitt auftretenden Vorderflanke und dem Endpunkt auftreten, ·

und eine Schaltung zur Einspeisung der gemessenen Faktoren in den digitalen Computer, welcher aus dem bekannten Zusammenhang zwischen der Frequenz und diesen Faktoren die Eingangsfrequenz berechnet.

Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung 'wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines direkten digitalen Regelsystems, das einen erfindungsgemäßen Frequenz-Binär-Wandler enthält;

Fig. 2 einen Signalverlauf zur Erläuterung der der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Wandlers;

Fig. 4 Signalverläufe in verschiedenen Punkten dieses Wandlers;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren bvorzugten Ausführungsform des Wandlers; und

Fig. 6 Signalverläufe in verschiedenen Punkten dieses Wandlers.

Fig. 1 zeigt ein DDC-System, in dem ein Digitalcomputer 10

0300A8/0744

in Standardausführung den Betrieb eines digitalen Multiplexers IT steuert, welcher sequentiell von einer Gruppe von Primärwandlern 12A, T2B, usw. abgeleitete ankommende Frequenzen auswählt und sie in einen erfindungsgemäßen Frequenz-Binär-Wandler 13 einspeist. '

Die Primärwandler 12A, 12B, 12C, usw. erfassen jeweils einen interessierenden Parameter/ wie beispielsweise Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, Druck und andere Prozeßvariable, um ein ankommendes Signal zu erzeugen, dessen Frequenz proportional zur erfaßten Prozeßvariablen ist. Um eine hohe Wandlungsgenauigkeit zu erzielen, wird das Wandlersignal vor Einspeisung in den Multiplexer 11 durch Signalformer: 14A, 14B, 14C, usw. in eine kontinuierliche Folge F. Von Rechtecksignal-Perioden überführt, dessen Folgefrequenz gleich der Frequenz des Signals ist, wobei jede Periode mit einer Vorderflanke beginnt.

Der digitale Multiplexer 1T wirkt als elektronischer Commutator, welcher im Verlauf jedes Tastzyklus die von den Primärwandlern 12A, 12B, 12C, usw. abgeleiteten geformten Signale F. in den Wandler 13 eingibt, welcher jedes in ihn eingespeiste Signal in eine Bit-parallele Binärzahl überführt. Diese Zahl wird vom Computer 10 gelesen.

Der Computer 10 enthält eine Zentralprozessoreinheit CPU, welche ein Mikroprozessor sein kann, sowie einen Speicher M, in dem ein Programm gespeichert ist. Dieses Programm dient zur Verarbeitung der die Parameter repräsentierenden Binärzahlen sowie zur Verarbeitung dieser Werte zur Erzeugung von digitalen Ausgangsgrößen in derselben Sequenz, in der die Parameter getastet werden. Die digitalen Ausgangsgrößen werden durch digitale Auslesungen 15 angezeigt.

Ein Digitalcomputer führt mit in seinen Eingang eingegebenen

030048/0744

digitalen Daten arithmetische oder logische Operationen aus und liefert an seinem Ausgang numerische Ergebnisse oder Entscheidungen. Alle Digitalcomputer sind unabhängig davon, ob sie als Großcomputer oder Mikrocomputer.ausgebildet sind, aus einer zentralen Prozessoreinheit, einem Speichersystem und Ein/Ausgabe-Einheiten aufgebaut.

Eine Zentralprozessoreinheit (CPU), empfängt und speichert Daten zur späteren Verarbeitung in Form von Binärziffern oder Bits (Nullen oder Einsen), um arithmetische oder logische Operationen mit diesen Daten als Funktion von vorher gespeicherten Befehlen durchzuführen, und um die Ergebnisse für den Benutzer des Computers durch ein Auslesegerät, bei-, spielsweise eine elektrische Schreibmaschine oder eine Kathodenstrahl-Anzeigeröhre zu liefern. Ein digitaler Computer kann in Verbindung mit industriellen Prozeßregelschleifen verwendet werden, um die Prozeßvariable in jeder Schleife mit einem Sollwert zu vergleichen und ein Ausgangssignal zu liefern, das von der Abweichung der Variablen vom Sollwert abhängt. Das Ausgangssignal dient zur Steuerung eines Endregelelementes, wie beispielsweise eines Ventils oder einer Pumpe in der Prozeßschleife, um die Variable in einer· Richtung' und um einen Betrag zu ändern, daß sie mit dem Sollwert übereinstimmt.

Die Anzahl von Ziffern oder Bits, welche zur Darstellung eines Computerbefehls erforderlich sind, oder die Anzahl von Bits, welche zur Darstellung des größten, normalerweise durch den Computer verarbeiteten Datenelements erforderlich sind, werden als "Wort" bezeichnet. Die Anzahl von Bits, welche ein Computer als eine Einheit verarbeiten kann, wird als "Byte" bezeichnet. Ein Byte kann gleich oder kleiner der Anzahl von Bits in einem Wort sein. Ein Computer mit einer Wortlänge von 8 Bit oder 16 Bit -kann Daten in 8 Bit-Bytes verarbeiten.

030048/0.744-

Die zentrale Prozessoreinheit ist diejenige Komponente des Computers, welche, die Interpretation und die Ausführung von Befehlen steuert. Generell enthält eine CPU die folgenden Elemente: .----,-

eine "steuerung", welche eine Logik und Befehle zur Decodierung und Ausführung des im "Speicher" gespeicherten Programms enthält; "Register", welche eine Steuerung mit zeitweiliger Speicherung in Schreib-Lese-Speichern (RAM's) und deren zugehörigen Funktionen durchführen; und eine Arithmetik- und Logik-Einheit (ALU), welche die arithmetischen und logischen Operationen unter Überwachung durch die Steuerung durchführt. ■■■'" "^: ""-■"" ;

Das Speichersystem ist diejenige Komponente eines Computers, welche Daten und Befehle hält, wobei jedem Befehl oder Datum eine eindeutige Adresse zugeordnet ist, welche beim Entnehmen oder Speichern der Information durch die CPU benutzt wird. Es gibt drei bestimmte Typen von Speichern, welche in einem Minicomputer jeweils auf einer einzigen Siliciumscheibe zusammengefaßt werden können. Ein Festwertspeicher bzw. ein ROM ist ein Speicher zur dauernden Speicherung von Information, wie beispielsweise einer mathematischen Funktion oder einem Mikroprogramm (ein spezielles Programm, das durch einen einzigenBefehl im Häüptprogramm des Systems initiiert wird). Ein Speicher der durch den Benutzer lediglich einmal programmiert werden kann, ist als programmierbares ROM bzw. PROM-bekannt. Ist ein PROM einmal programmiert, so wirkt es als ROM. '

Die grundlegenden "Hardware"-Komponenten eines digitalen Computers sind die zentrale Prozessoreinheit (CPU), das Speichersystem'sowie die Ein/Ausgabe-(I/O)-Geräte. Die Register, die Steuerung und die Arithmetik- und Logikeinheit CPU sind:mit dem Speichersystem und den I/O-Geräten durch einen Datenbus gekoppelt. Dabei handelt es sich um eine

0 30048/0 744

Gruppe von Leitungen, über welche der Speicher, die CPU und I/O-Geräte "Wörter" austauschen können.

Bei der einem Computer zugeordneten "Software" handelt es sich um diejenigen Hilfsmittel, welche dem Computer explicit mitteilen, was in einer schrittweisen Folge von Einzelbefehlen zu tun ist. Diese Einzelbefehle bilden zusammen ein Programm zur Durchführung einer speziellen Funktion zwecks Erzielung einer Lösung eines spezifischen Problems. Ein "Befehl" ist eine Gruppe von Bits, welche eine spezielle Computeroperation definieren. Mittels derartiger Befehle können in einem Computer Daten bewegt, arithmetische und logische Operationen ausgeführt, I/O-Geräte gesteuert oder Entscheidungen durchgeführt werden, welcher B.efehl nächstens auszuführen ist.

Für Prozeßregelzwecke werden die digitalen Ausgangsgrößen des Computers 10 in einen Digital-Analog-Wandler 16 eingegeben, dessen analoge Ausgangsgrößen 0^, O₂, usw. im Rahmen der Grenzen des Computers jede Funktion der Systemeingangsgroße sein können. Diese Ausgangsgrößen werden in entsprechenden Tast- und Haltestufen 17A, 17B, 17C, usw. gehalten, welche in einem DDC-System für Regelzwecke typischerweise Ausgangssignal in einem Gleichstrombereich von 4 bis 20 itiA liefern. Diese Ausgangssignale steuern die Endregelelemente in den die Primärwandler enthaltenden Prozeßregelschleifen. Der Computer wirkt als Steuerung für die verschiedenen Schleifen und ist in der Verarbeitung der Eingangsgrößen sehr flexibel. Er vermag Zahlenbereichsänderungen, Linearisierungen, Kompensierungen und Summierungen der Eingangsgrößen vorzunehmen, sowie in jedem gewünschten Steuerbetrieb zu arbeiten.

Die Erfindung ist nicht im DDC-System zu sehen, da dieses in an sich bekannter Weise ausgeführt werden kann. Vielmehr ist die Erfindung in dem im System enthaltenen Frequenz-

0300A8/0744

Binär-Wandler 13 zu sehen, da dieser Wandler es möglich macht, daß das DDC-System wirksam in Hinsicht auf Eingangssignalewirken kann, deren Frequenzen proportional zu den Eingangsparametern sind.

Fig. 2 zeigt eine kontinuierliche Folge F. von Rechtecksignal-Perioden P, welche von einem der Primärwandler abgeleitet werden, wobei jede Periode' eine positive Vorderflanke besitzt:. Die Frequenz bzw. die Folgefrequenz dieser Signalfolge ist unbekannt. Um ihre Frequenz zu bestimmen, werden während eines Zeitintervalls KT Messungen durchgeführt/ wobei der Wert K eine positive ganze Zahl und der Wert T eine vorgegebene Zeiteinheit ist. Wird K gleich 1020 gewählt und beträgt die Einheit T 100 fis, so ist dann das Intervall KT_:gleich 102 ms.

Gemäß Fig. 2 besitzt.das Meßinterval! KT einen Startpunkt S und einen Endpunkt F. Daher bedarf es einer Folge von 1020 Einheiten T mit jeweils 100 \is, um bei dem in Rede stehenden Beispiel vom Startpunkt S zum Endpunkt F zu laufen. Dieses Meßintervall muß nicht mit dem Eingangssignal F. synchronisiert sein und ist auch von dessen Frequenz unabhängig, wobei unabhängig von den Frequenzen des Eingangssignal dasselbe Intervall für alle Eingangssignale F. verwendet wird.

Die Periode P jeder Rechtecksignalperiode in der kontinuierlichen Folge ist gleiche 1/F. . D'äs Meßintervall KT wird als Ausschnitt der kontinuierlichen FolgeF, genommen, wobei in diesem.Ausschnitt abhängig von der Lage des Start- und des Endpunktes S und F eine bestimmte Anzahl von vollständigen Signalperioden P vorhanden ist. Im dargestellten Beispiel werden die vollständigen Perioden P durch P-, P₂/ P3, ...» P dargestellt.

0300A8/07AA

Der'Meßvorgang läuft folgendermaßen ab:

I. Es wird zunächst die Anzahl von Zeiteinheiten T, welche zwischen dem Startpunkt S und der ersten in der Sigfialfolge auftretenden Vorderflanke I₁ auftreten, gezählt. Der Wert dieser Zählung wird mit B bezeichnet. In Fig. 2 ist daher der Abstand zwischen dem Startpunkt S und der ersten Vorderflanke I₁ durch BT gegeben.

II. Sodann wird die Anzahl von vollständigen Signalperioden (P₁ bis P-,) , welche während des Meßintervalls KT auftre ten, gezählt, um deren Anzahl N zu erhalten.

III. Schließlich wird die Anzahl der Zeiteinheiten T, welche zwischen der letzten Vorderflanke 1~ i-^m Ausschnitt und dem Endpunkt F auftreten, gezählt, um eine Zahl R zu gewinnen. In Fig. 2 ist der Abstand zwischen der letzten Vorderflanke I₂ und dem Endpunkt F daher durch RT gegeben.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß die Dauer des Meßintervalls KT = BT + NP + RT ist. Daher gilt:

= ρ = -^K— IBJlR)

^Fin ^N

^Fin ⁼ Τ" ......Gleichung

Sind die festen Werte von K und T bekannt, und werden die Werte der Faktoren N und B+R bestimmt, so kann die gewünschte Umformung durchgeführt werden. Diese Werte werden in den Computer eingegeben, welcher eine Hardware enthält, mitttels . derer die Berechnung der Gleichung (1) durchführbar ist, um den erforderlichen Binärwert zu erzeugen, welcher den interessierenden Parameter repräsentiert.

30 048/0744

-17- 30184$3

Fig. ^:3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Frequenz-Binär-Wandlers: gemäß der Erfindung, welcher drei Eingänge ^Fclk' ^Tr ^un^ ^F· aufweist. Dem Eingang-F ,. werden genaue Taktimpulse zugeführt, deren Frequenz gleich 1/T ist. Diese impulse sind im Zeittaktdiagramin nach Fig. 4 als Impulsfolge A dargestellt. Dem Eingang T wird ein Triggerimpuls zugeführt, welcher gemäß der Kurve C in Fig. 4 ein positiver Impuls ist, welcher den Beginn der Umformung darstellt, die beim übergang von einem hohen zu einem tiefen Pegel des Triggerimpulses beginnt.

Diem Eingang F. wird die kontinuierliche Folge von Rechtecksignal-Perioden unbekannter Frequenz zugeführt/ welche zu messen sind. Für eine optimale Genauigkeit werden diese in der Kurve B in Fig. 4 dargestellten Rechtecksignal-Perioden in schmale positive Impulse überführt, deren Dauer zeitlich gleich der Zeiteinheit T oder weniger ist. Die Ausgangsgrößen N und B+R sind (K+1)T-s nach der abfallenden Flanke des Triggerimpulses verfügbar. .

Die Wandlerschaltung enthält Zähler 18, 19, 20, 21, 22 .und 23 sowie zwei UND-Gatter 24 und 25. Die N-Ausgangsgröße des Wandlers wird an Klemmen Q_Q bis Q₇ des Zählers 22 geliefert, während die B+T-Äusgangsgröße an Klemmen Q... bis Q^ des Zählers 23 geliefert wird. Der Eingang F_alk ist an einen Eingang des Gatters 24 geschaltet, während ein weiterer Gattereingang an einen Ausgang Q des Zählers 19 geschaltet ist. Der Ausgang des Gatters 24 ist an den Takteingang clk des Zählers 18 und an den Takteingang clk des Zählers 23 angeschaltet.

Der Eingang Tist an Rücksetz-Eingänge der Zähler 18, 20, 21 und 22 angeschaltet, wobei ein Ausgang Q:dieses Zählers 18

0300A8/07A4

an den Rücksetz-Eingang des Zählers 19 angeschaltet ist. Der Eingang P. ist an einen Takteingang ck des Zählers 20 angeschaltet, dessen Ausgang Q an einen Takteingang ck des Zählers 19 und dessen Ausgang Q an einen Zählwirksamschalt-Eingang des Zählers 21 angeschaltet ist. Der Eingang F. ist weiterhin an den Ausgang Q des Zählers 19 angeschaltet. Der Ausgang des Gatters 25 ist an einen Takteingang clk des Zählers 22 und an einen Ladeeingang des Zählers 23 angeschaltet. Die Ausgänge Q_Q bis Q- des Zählers 21 sind an Voreinstelleingange A bis H des Zählers 23 angeschaltet.

Der Zyklus beginnt mit einem Übergang von einem tiefen zu einem hohen Pegel des Triggerimpulses T . Bei hochliegendem Triggerimpuls werden die Zähler 18, 20, 21 und 22 rückgesetzt. Wenn der Triggerimpuls einen tiefen Pegel annimmt, zählt der Zähler 21 positive Flanken der Impulse F ,,. Wenn die erste positive Flanke der Eingangsgröße F. auftritt, wird der Zähler 20 gesetzt, wodurch ein weiteres Zählen durch den Zähler 21 verhindert wird und damit der Zähler 19 gesetzt wird, welcher an seinem Ausgang Q auf einen hohen Pegel geht (Punkt E). Damit können Impulse F ,, durch das Gatter 24 zum Zähler 19 gelangen. Weiterhin können Impulse F₁, durch das Gatter 25 zu den Zählern 22 und 23 gelangen.

Jeder Impuls am Ausgang des Gatters 25 (Punkt H). schaltet den Zähler 22 um einen Zählwert fort und lädt die Zählung in Zähler 21 in den Zähler 23. Zwischen Impulsen im Punkt H wirkt der Zähler 21 im Sinne der Zählung invertierter Impulse F. , welche im Punkt F am Ausgang des Gatters 25 auftreten, "· was natürlich mit einem Wert beginnt, welcher durch den vorhergehenden Ladeimpuls geladen wurde. Dieser Vorgang setzt sich' fort, bis der Zähler 18 K Impulse F ., gezählt hat, und ein Punkt G am Ausgang Q des Zählers 18 einen hohen Pegel annimmt,

030048/0744

wodurch der an diesen Ausgang angeschaltete Zähler 19 rückgesetzt wird, und die an den Ausgang Q (Punkt E) des Zählers 1;9 angekoppelten UND-Gatter 24 und 25 gesperrt werden.

D^arnit kann keine weitere Zählung erfolgen, wobei die Ausgangsgröße N am Zähler 22 und die Ausgangsgröße B+R am Zähler 23 z'iur Verfügung steht. Das System befindet sich in Ruhe, bis der niächste Triggerimpuls am Eingang T auftritt, wenn der gesamte Operationszyklus wiederholt wird.

t- ■-.■■" ."■"-. . ■

Die Werte N und B+R werden zusammen mit den Werten K und T sodann in eine digitale Hardware genereller Ausgestaltung eingegeben/ in der die Berechnung der Gleichung (1) zur Bestimmung der Eingangsfrequenz durchgeführt wird. Der Binärwert dieser Frequenz wird sodann im. Computer digital verarbeitet, um die gewünschte Systemausgangsgröße zu erzeugen.

Im folgenden wird ein Beispiel dieser Funktionsweise unter der Annahme folgender Werte gegeben:

K = 512 -■
. ' T = 0,8 ms; d.h., F_clk = 1250H₃

In diesem Falle ist:

- 1250 —

Der Wert N muß offensichtlichwenigstens 1 sein, und kann bis zu 255 betragen (unter derAnnahme, daß der Zähler 22 ein 8. Bit-Zähler ist) . Der Wert (B+R) kann im Bereich von 0 bis 255 liegen.

Die maximale -Frequenz F. , die gemessen werden kann, liegt vor, wenn N = 255 und (B+R) = Ö3-- ist, d.h., diese Frequenz ist

0300 48/07

-20 - 30184B3

622 Hz. Die minimale Frequenz F. kann gemessen werden, wenn

die Periode 1/F. gleich B χ Τ ist m ³ max

ρ . = —! = 4,9 Hz.

^min (255 χ 0,0008)

Frequenzen in diesem Bereich werden mit einer Auflösung von wenigstens 9 Bits (0,2 %) gemessen. Die Umformung findet in einem konstanten Meßintervall von 410 ms statt. Um die Schaltung zur Messung anderer Frequenzbereiche auszulegen, können sowohl die Werte von F ... und K als auch die Länge der Zähler 21, 22 und 23 geändert werden.

Da die maximal meßbare Frequenz lediglich von der Anzahl der im Zähler 22 zur Verfügung stehenden Stufen zur Erzeugung der Größe N abhängt, erfordert die Messung von hohen Frequenzen viele Zählerstufen und daher viele Leitungen zur Übertragung dieser Zahl zum digitalen Computer.

Die effektive Länge des Zählers 22 für die Größe N kann durch Erfassung des Punktes erstreckt werden, in dem ein Überlauf des N-Zählers stattfindet, wobei dieser Punkt zur Unterbrechung des digitalen Computers benutzt wird. Der Computer läuft dann mit der Anzahl von Zeitpunkten gleich, für die er während des Meßintervalls unterbrochen wurde. Nimmt man an, daß die Anzahl der Unterbrechungen gleich Y ist, so ist die effektive Größe N dann:

Effektiv - (2¹ * Y) + N,

worin k die Anzahl von Zählerstufen im N-Zähler bedeutet. Da der maximale Wert von Y in der Praxis lediglich vonder Computer-Software und dem Speicher abhängt, kann er sehr groß sein und leicht geändert werden.

030048/0744

Ein in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform des Wandlers ist gegenüber der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sowohl weniger aufwendig als auch in seiner Funktion umfangreicher. Bei dieser Ausführungsform mißt zunächst ein Zähler 26 den Wert B und gibt ihn in den Computer ein, in dem er gespeichert wird. Derselbe Zahler wird sodann rückgesetzt und fährt mit der Messung R fort. Am Ende dieses Meßintervalls liest der Computer dann die Werte N und R. Der Computer, welcher nun die Werte N, R und B hält, kann sodann die unbekannte Frequenz aus der Gleichung (1) berechnen. Bei dieser Ausführungsform wird nicht nur ein vorsetzbarer Zähler überflüssig, sondern auch die Auflösung des Systems verbessert.

In dem in Fig. 5 dargestellten Wandler ist der Eingang F ,. .auf einen Eingang eines Gatters 27 geführt, dessen Ausgangssignal auf einen Eingang cIk eines Zählers 28 gegeben wird, dessen Ausgang Q₀ mit einem weiteren Eingang des Gatters 27 und einem Eingang E eines Zählers 29 verbunden ist. Ausgänge Q₀ bis Q₃ dieses Zählers liefern das geringstwertige Bit der Größe N, wobei der Ausgang Q₃ auf einen ünterbrechungseingang des Computers geführt ist.

Der Triggereingang T ist auf Rücksetzeingänge der Zähler 28, 29 und 30 sowie auf einen Eingang eines Gatters 31 geführt, dessen Ausgang auf einen Rücksetz-Eingang des Zählers 26 geführt ist. Der Eingang F. ist an ,einen Eingang ck des Zählers 29 und einen Eingang eines Gatters 32 geführt, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Gatters 31 verbunden ist. Der andere Eingang des Gatters 31 liegt an einem Ausgang Q des Zählers 28 und an einem Eingang eines Gatters 33. Der Ausgang dieses Gatters 33 liegt am Eingang E des Zählers 26, während der andere Eingang des Gatters 33 an einen Ausgang Q des Zählers 30 geführt ist.

Q300A8/07AA

18463

Bei der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsform des Wandlers liest der Computer die Größe B+R aus dem Zähler 23. Hat dieser Zähler "t"-Stufen, so ist der Maximalwert von B+R gleich (2 - 1). Bei der in Fig. 5 dargestellten zweiten Ausführungsform werden die Werte B und R getrennt gelesen, wobei jeder Wert ein Maximum von (2 - 1) haben kann. Der Maximalwert von B+R ist dann 2 χ (2 -1), wodurch sich eine doppelte Verbesserung in der Auflösung ergibt.

Bei der zweiten Ausführungsforrn ist weder ein B-Zähler noch' ein R-Zähler erforderlich. Es sind jedoch bestimmte Schaltungsmaßnahmen zur Änderung des Zählbetriebs des einzigen Zählers nach dem Abschluß der Messung B erforderlich, so daß dieser die Größe R richtig zählen kann. Ein typisches Betriebsart-Änderungsschema besteht in der Umschaltung der Betriebsarten in der Mitte des Meßintervalls. Der Computer sollte darin die Größe B durch Auslesen des Zählers unmittelbar vor der Mitte des Intervalls erhalten. Die Betriebsart-Änderungsmaßnahmen erfassen dann die Mitte des Intervalls und ändern die Eingangsgrößen für den Zähler, so daß dieser den Wert R messen kann. Andere Maßnahmen zur Änderung der Betriebsart sind in Abhängigkeit von den tatsächlichen Einzelheiten der Auslegung möglich.

030048/0744

Claims (5)

1. Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Thys. Dr. K.Fincke

   Dipl.-Ing. F. A. Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Li.ska

   DXIIIH 8000 MÜNCHEN 86, DEN 4 Λ

   - -...-" POSTFACH 860 820 ^ΊΛ

   MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

   Fischer & Porter Company, Warminster, Pennsylvania 18974, V.St.A*

   Wandler und Verfahren zur Umwandlung eines Eingangssignals in eine Digitalzahl

   Patentansprüche

   Wandler zur Umwandlung eines Eingangssignals, dessen Frequenz sich als Funktion eines zu messenden Parameters ändert, in eine durch einen digitalen Computer zu arbeitende Digitalzahl, gekennzeichnet durch eine Eingangssignal-Formersehaltung (11, 13A, 13B, 13C) zur Erzeugung einer kontinuierlichen Folge von Rechtecksignal-Perioden, die jeweils mit einer Vorderflanke beginnen, durch eine Schaltung (in 13) zum Erwirken einer Messung während eines Zeitintervalls, das eine feste Dauer besitzt, welche ein vorgegebenes Vielfaches einer vorgegebenen Zeiteinheit ist, und das unabhängig von der Frequenz des Eingangssignals und mit dieser nicht synchronisiert ist, wobei während desjenigen Ausschnitts der kontinuierlichen Folge, welcher zwischen den Start- und den Endpunkt des Zeitintervalls fällt, eine Messung erfolgt, durch eine Schaltung-(in 13) zur Messung folgender Faktoren während des Zeitinvalls:

   0 30 048/07 4 4

   (1) die Zahl der Zeiteinheiten, welche zwischen dem Startpunkt und der Vorderflanke der ersten voll-' ständigen Signalperiode im Ausschnitt auftritt,

   (2) die Zahl von im Ausschnitt liegenden vollständigen Signalperioden, und

   (3) die Zahl von Zeiteinheiten, welche zwischen der letzten im Ausschnitt auftretenden Vorderflanke und dem Endpunkt auftreten,

   und durch eine Schaltung zur Einspeisung der gemessenen Faktoren in den digitalen Computer (10), welcher aus dem bekannten Zusammenhang zwischen der Frequenz und diesen Faktoren die Eingangsfrequenz berechnet.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall gleich KT ist, worin K eine positive ganze Zahl und T eine vorgegebene Zeiteinheit ist.
3. 3. Wandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils eine positive Vorderflanke aufweisenden Rechtecksignal-Perioden jeweils einen Wert P besitzen und daß die Periode P gleich 1/F. ist, wobei F. die Frequenz des Eingangssignals ist.
4. 4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Frequenz folgende Beziehung gilt:

   in TK- (B+R)

   worin

   die Anzahl von Zeiteinheiten T zwischen dem Startpunkt des Intervalls und der ersten Vorderflanke im Ausschnitt mit B, die Anzahl von vollständigen Signalperioden P, welche während des Intervalls auftreten, mit N, und die Anzahl von Zeiteinheiten T, welche zwischen der letzten Vorderflanke und dem Endpunkt auftreten, mit R

   030048/0744

   bezeichnet sind,
5. 5. Verfahren zur Umwandlung eines Eingangssignals, dessen Frequenz F. unbekannt ist, in einen durch einen digitalen Computer zu verarbeitenden Binärwert, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal in eine Folge von jeweils mit einer Vorderflanke beginnenden Rechtecksignal-Perioden P überführt wird, :

   daß während eines Zeitinvalls mit einer festen Dauer, welche ein vorgegebenes ganzzahliges Vielfaches K einer Zeiteinheit T ist, Messungen erwirkt werden, wobei das Intervall unabhängig von der Frequenz des Eingangssignals und mit dieser nicht synchronisiert ist, wodurch während desjenigen Ausschnittes der kontinuierlichen Folge, welche zwischen den Start- und den Endpunkt des Zeitintervalls fällt, .eine Messung erfolgt,

   "- daß während der.Zeitintervalle KT erstens die Anzahl B .-■-. von Zeiteinheiten T, welche zwischen dem Startpunkt und der Vorderflanke der ersten vollständigen Signalperiode im Ausschnitt.auftritt, zweitens die Zahl N von im Ausschnitt liegenden vollständigen Signalperioden und drittens die Anzahl R von Zeiteinheiten T, welche zwischen der letzten

   -im Ausschnitt auftretenden Vorderflanke und dem Endpunkt auftreten, gemessen werden,

   und daß die Werte K, T, B, R und N zur Berechnung der Frequenz, F. aus der folgenden Formel in den digitalen

   . Computer eingegeben werden:

   in TK - (B+R)

   0 30 048/0 744