DE3106904A1

DE3106904A1 - Vorrichtung zur umwandlung der periode eines periodischen signals in ein digitales zaehlsignal

Info

Publication number: DE3106904A1
Application number: DE19813106904
Authority: DE
Inventors: Robert Sterling Vun 85023 Phoenix Ariz. Kannon jun.; Joseph Harvey 85306 Glendale Ariz. Ruby
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1980-02-25
Filing date: 1981-02-24
Publication date: 1982-01-14
Also published as: GB2070363A; IT8147881A1; IT8147881A0; IT1170752B; FR2476848A1; JPS56153499A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach " ■ : -/""-"-bip^-thg. Günther Koch ^ ; · :j ~ DipVPtfy s. D r.Tin ο Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telejg^^lS^fH ^d

~ ^" Datum: 24.Februar 1981

Unser Zeichen: 17 125 - Fk/Vi

SPERRY CORPORATION

^ 1290 Avenue of the Americas

New York, New York 10019

^ U.S.A.

Vorrichtung zur Umwandlung der Periode eines periodischen
Signals in ein digitales Zählsignal

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung der Periode eines periodischen Signals in ein digitales Zählsignal.

Die Vorrichtung ist insbesondere (jedoch nicht ausschließlich) zur Verwendung in Verbindung mit Druckmeßfühlern mit schwingender Membran geeignet.

Druckmeßfühler mit schwingender Membran werden zur Messung des Atmosphärendruckes verwendet. Derartige Einrichtungen liefern ein Ausgangssignal mit einer Frequenz, die sich als Funktion des Druckes ändert. Das Meßfühlerausgangssignal ist daher ein periodisches Signal, wobei sich die Dauer der Meßfühlersignalperiode entsprechend dem gemessenen Druck ändert. Ein derartiger Druckmeßfühler mit schwingender Membran ist beispielsweise in der DE-OS 17 73 491 beschrieben. Weiterhin beschreibt die DE-OS 28 21 439 Einzelheiten derartiger Meßfühler.

In den Figuren 1A und 1B der Zeichnungen sind graphische Darstellungen der Meßfühlerperiode bzw. der Meßfühlerfrequenz gegenüber dem Druck für einen typischen Druckmeßfühler gezeigt. Es ist zu erkennen, daß für relativ hohe Drücke die Empfindlichkeit des Meßfühlers niedrig ist, während die Empfindlichkeit für relativ niedrige Drücke hoch ist, wobei die Empfindlichkeit des Meßfühlers durch die Steigung der Kurve dargestellt ist. Es ist daher zu erkennen, daß sich bei hohen Drücken, bei denen die Empfindlichkeit des Meßfühlers (Neigung der Kurve) niedrig ist, eine relativ große Druckänderung lediglich zu einer relativ kleinen Änderung der Meßfühler-Signalperiode führt. Bei niedrigen Drücken, bei denen die Empfindlichkeit des Meßfühlers hoch ist, führt eine relativ kleine Druckänderung

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zu einer relativ großen Änderung der Meßfühlersignalperiode.

Eine bekannte Technik zur Messung der Meßfühlersignalperiode durch Umwandlung des Periodenzeitintervalls in eine Digitalzählung besteht darin, die Meßfühlersignalperiode zur Torsteuerung eines hochfrequenten Taktimpulssignals in einem Zähler zu verwenden. Die Anzahl der in dem Zähler während der Meßfühlersignalperiode akkumulierte Impulse ergibt eine digitale Zählung, die proportional zum Zeitintervall der Meßfühlersignalperiode ist. Um die Genauigkeit und Auflösung der Zeitintervallmessung zu vergrößern, wird eine Zeitintervall-Mittelwertbildung verwendet, wobei die digitale Zählung über eine Anzahl von Meßfühlerperioden gemittelt wird.

In Figur 2 der Zeichnungen ist ein bekannter Zeitperiodenzählungs-Konverter dargestellt, der die Zeitintervall-Mittelwertbildung verwendet. Das Ausgangssignal des Druckmeßfühlers 10 mit schwingender Membran (der eine Schwingungsfrequenz fp und eine Signalperiode TP aufweist) wird einem festen Periodenzähler 11 zugeführt. Der auf den Meßfühler einwirkende Druck ist mit Ps bezeichnet. Der ein festes Teilerverhältnis aufweisende Periodenzähler 11 zählt eine voreingestellte Anzahl N von Meßfühlersignalperioden und liefert ein Freigabesignal an ein Verknüpfungsglied 12 für die Dauer von N Perioden. Während des Auftretens der N Meßfühlerperioden leitet das Verknüpfungsglied 12 ein hochfrequentes Taktsignal von einem Hochfrequenz-Taktimpulsgenerator 13 (mit einer Frequenz fc und einer Periode Tc) an einen Hochgeschwindigkeitszähler 14 weiter. Weil das Verknüpfungsglied 12 für eine feste ganze Zahl

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von Meßfühlerperioden freigegeben ist, ergibt das digitale Zählausgangssignal des Zählers 14 ein Maß der Meßfühlersignalperiode. Aus in der Technik der Zeitintervall-Mittelwertbildung gutbekannten Gründen ist die Genauigkeit und Auflösung der Messung um so größer, je größer die Anzahl der Perioden N ist, über die die Messung gemittelt wird. D.h. mit anderen Worten, daß das Gewicht (oder die Wertigkeit) jedes Taktimpulses von dem Taktimpulsgenerator 13 bezüglich seiner Bit-Wertigkeit in dem digitalen Zählausgang von dem Zähler 14 um so kleiner ist, je größer die Anzahl der Perioden N ist. Das folgende Beispiel soll diese Grundgedanken verdeutlichen.

Wenn es erwünscht ist, eine Meßfühlersignalperiode zu messen, die der Dauer von 4,55 Hochfrequenz-Taktimpulsintervallen entspricht, und wenn der Zähler 11 so eingestellt ist , daß das Verknüpfungsglied 12 lediglich während einer Meßfühlersignalperiode freigegeben ist, so werden entweder 4 oder 5 Zählungen in dem Zähler 14 akkumuliert, und zwar in Abhängigkeit von der relativen Phase zwischen dem Meßfühlerausgangssignal und dem Hochfrequenz-Taktsignal. Wenn der Zäher 11 jedoch so eingestellt ist, daß er das Verknüpfungsglied 12 für 10 Meßfühlersignalperioden freigibt, so werden entweder 45 oder 46 Taktimpulse in dem Zähler 14 akkumuliert. Wenn die Anzahl der Perioden/N dividiert wird, ergibt sich ein Ergebnis von 4,5 oder 4,6 , was eine erhebliche Vergrößerung der Genauigkeit und Auflösung zeigt. Wenn die Umwandlung so gesteuert wird, daß sie über 100 Meßfühlersignalperioden erfolgt, so würden unter Vernachlässigung von Zeitbasisanomalien, genau 455 Hochfrequenz-Taktimpulse in dem Zähler 14 akkumuliert, was eine weiter vergrößerte Genauigkeit und Auflösung ergibt.

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Obwohl der Perioden-Zählungs-Wandler nach Figur 2 den Vorteil der Zeitintervall-Mittelwertbildung ergibt, weist er mehrere Nachteile auf. Bei Systemen, in denen eine feste Dauer der Umwandlungszeit zur Verfügung steht, ist die Anzahl der Perioden N des Zählers 11 so eingestellt, daß N Perioden der längsten Meßfühlersignalperiode gerade innerhalb der zur Verfügung stehenden Umwandlungszeit auftreten. Wie dies aus Figur 1A zu erkennen ist, tritt die längste Meßfühlersignalperiode im Niederdruckbereich des Meßfühlerdruckmeßbereiches auf. Wenn die Anzahl der Meßfühlerperioden N in der vorstehend beschriebenen Weise festgelegt ist, so ist zu erkennen, daß die Zeitintervall-Mittelwertbildung zur Vergrößerung der Genauigkeit und der Druckauflösung über diese feste Anzahl von Meßfühlerperioden über den gesamten Druckmeßbereich des Meßfühlers erfolgt. Am Niederdruckende dieses Bereiches ist diese Anzahl der Meßfühlerperioden, über die die Mittelwertbildung erfolgt, auf Grund der hohen Empfindlichkeit des Meßfühlers in diesem Bereich typischerweise mehr als ausreichend. Am hochfrequenten Ende des Druckbereiches führt jedoch die Mittelwertbildung über diese Anzahl von Perioden typischerweise zu einer unzureichenden Genauigkeit und Druckauflösung, weil sich in diesem Bereich eine niedrige Empfindlichkeit des Meßfühlers ergibt. Im allgemeinen ist die Anzahl der Perioden, über die die Mittelwertbildung erfolgt, lediglich über der Mitte des Druckbereiches des Meßfühlers gerade ausreichend, um die gewünschte Genauigkeit und Auflösung zu erzielen.

Zusätzlich zur Verschlechterung der Genauigkeit und Druckauflösung des Systems bei zunehmendem zu messenden Druck

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geht eine beträchtliche Umwandlungszeit ungenutzt verloren. Weil die feste Anzahl der Meßfühlerperioden N mit der längsten Meßfühlerperiode gerade in die zur Verfügung stehende Umwandlungszeit eingepaßt ist, ist zu erkennen, daß die gleiche Anzahl von kürzeren Meßfühlersignalperioden in einer wesentlich kürzeren als der zur Verfügung stehenden Umwandlungszeit auftritt. Am Hochdruckende des Druckbereiches ist der größte Teil des Umwandlungsintervalls eine Totzeit, die während der Betriebsweise des Systems ungenutzt verstreicht. Derartige Systeme können von einem Typ sein, der durch einen Mikroprozessor gesteuert ist, bei dem das Systembetriebsprogramm mit einer festgelegten Häufigkeit pro Sekunde wiederholt wird, was zu der Forderung nach einer festen Zeit führt,in der die Umwandlung durchgeführt wird.

Wenn in Systemen, in denen die Betriebsparameter dies zulassen, die Anzahl der Meßfühlerperioden N, über die die Zeitintervall-Mittelwertbildung erfolgt, so eingestellt wird, daß sich eine gute Auflösung und Genauigkeit am Hochdruckende des Druckmeßbereiches ergibt, so würde die erforderliche Umwandlungszeit am niederfrequenten Ende des Bereiches unannehmbar groß werden. Bei jeder Art von Systemen, die den bekannten Konverter nach Figur 2 verwenden, ändert sich unabhängig von dem Wert, auf den die Anzahl der Meßfühlerperioden N festgelegt ist, die Umwandlungszeit über den Bereich des Druckmeßfühlers mit schwingender Membran in unerwünscht großem Ausmaß, und es ändert sich weiterhin die Meßfühlersignalperioden-Auflösungsbitwertigkeit pro Hochfrequenz-Taktimpuls in unerwünschter Weise, was zu Problemen hinsichtlich der Systemauslegung führt.

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Wenn bei dem bekannten Perioden-/Zählungswandler nach Figur 1 einmal die Anzahl der Perioden N anhand von Systemerwägungen festgelegt wurde, so wird diese Anzahl dauernd schaltungsmäßig festgelegt. Dies führt zu einem zusätzlichen Problem bei der Verwendung des bekannten Wandlers, weil Änderungen der Umwandlungsbedingungen (beispielsweise eine gewünschte Änderung der Auflösung oder der Umwandlungszeit oder eine Änderung der Meßfühlereigenschaften, die sich beispielsweise bei einem Ersatz des Meßfühlers ergeben) eine unerwünschte Abänderung der Bauteile und eine Neuauslegung des Wandlers erforderlich machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die erforderliche Umwandlungszeit verringert und die Druckauflösung über den Bereich von zu messenden Drücken vergrößert ist, wobei Änderungen der Auflösung und der Umwandlungszeit ohne die Durchführung von konstruktiven Änderungen möglich sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung zur Umwandlung der Periode eines periodischen Signals in ein digitales Zählsignal erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Steuereinrichtungen zur Einleitung eines Umwandlungsintervalls bei einer vorgegebenen Zeitphase des periodischen Signals und zur Beendigung des Umwandlungsintervalls bei dem nächsten Auftreten der vorgegebenen Zeitphase des periodischen Signals, die ein vorgegebenes Zeitintervall nach der Einleitung des Umwandlungsintervalls folgt, erste Zählereinrichtungen, die durch Steuereinrichtungen freigegeben werden, um die Perioden des periodischen Signals zu zählen, die während des Umwandlungsintervalls auftreten,

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so daß eine ganzzahlige Anzahl der Perioden gezählt wird, Taktimpulsgeneratoreinrichtungen zur Erzeugung eines Taktimpulssignals und zweite Zählereinrichtungen vorgesehen sind, die durch die Steuereinrichtungen freigegeben werden, um die Impulse des Taktimpulssignals zu zählen, die während des Umwandlungsintervalls auftreten, so daß die Zählausgänge der ersten und zweiten Zählereinrichtungen das digitale Zählsignal liefern.

Die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Vorrichtungen werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung der Periode eines periodischen Signals in ein digitales Zählsignal beseitigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Steuerschaltung zur Einleitung eines Umwandlungsintervalls bei einer vorgegebenen zeitlichen Phase des periodischen Signals und zur Beendigung des Umwandlungsintervalls bei dem nächsten Auftreten der vorgegebenen zeitlichen Phase des periodischen Signals auf, das einem vorgegebenen Zeitintervall nach der Einleitung des Umwandlungsintervalls folgt. Die Vorrichtung weist weiterhin einen Meßfühlersignalperiodenzähler auf, der durch die Steuerschaltung freigegeben wird, um die Perioden des periodischen Signals zu zählen, die während des Umwandlungsintervalls auftreten, so daß eine ganzzahlige Zahl der Perioden gezählt wird. Ein Hochgeschwindigkeitszähler wird durch die Steuerschaltung freigegeben, um die Impulse eines Hochfrequenz-Taktimpulssignals zu zählen, die während des Umwandlungsintervalls auftreten. Auf die Zählausgänge des Meßfühlersignalperiodenzählers und des Hochgeschwindigkeitszählers ansprechende Einrichtungen liefern das digitale Zählsignal, d as die Periode des periodischen Signals darstellt.

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Vorzugsweise wird das vorgegebene Zeitintervall, das
die Beendigung des Umwandlungsintervalls steuert, dadurch veränderlich gemacht, daß der Hochgeschwindigkeitszähler mit einer vorgegebenen Zahl vorgeladen wird, urid daß das Umwandlungsintervall bei dem nächsten Auftreten der vorgegebenen zeitlichen Phase des periodischen Signals beendet wird, das dem Auftreten einer vorgegebenen Zählung des Hochgeschwindigkeitszählers folgt. In einem rechnergesteuerten System kann die vorher in den Zähler geladene oder eingegebene Zahl, die die Dauer des Umwandlungsintervalls steuert, von dem Systemprogramm geliefert
werden, so daß die Festlegung der Umwandlungszeit und
die Auflösung unter der Rechnersteuerung erfolgt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen noch näher erläutert, wobei die Figuren 1A, 1B und 2 einen bekannten
Stand der Technik darstellen und bereits weiter oben erläutert wurden.

In den übrigen Zeichnungen zeigen: Figur 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Umwandlung der Periode eines periodischen Signals in ein digitales Zählsignal, Figur 4 ein Schwingungsform-Zeitsteuerdiagramm der Signale, die an verschiedenen Punkten der Figur 3 auftreten, Figur 5A ein Diagramm, das die aufeinanderfolgenden Zustände des Meßfühlersignalperiodenzählers und des Hochgeschwindigkeitszählers während der
Betriebsweise der Vorrichtung mit einer bestimmten voreingegebenen Zahl zeigt, Figur 5B eine vereinfachte Darstellung der Berechnungen, die anhand der Zählausgänge der
Figur 5A'den Meßfühlersignalperiodenzähler und den Hochgeschwindigkeitszähler durchgeführt werden, um die Meßfühlersignalperiode und-Frequenz zu ermitteln^Figur 6A ein Diagramm, das die aufeinanderfolgenden Zustände des Meß-

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fühlerzählers und des Hochgeschwindigkeitszählers während der Betriebsweise der Vorrichtung bei einer anderen bestimmten voreingestellten Zahl zeigt, Figur 6B eine vereinfachte Darstellung der Berechnungen, die an den Zählausgängen nach Figur"6A für den Meßfühlersignalperiodenzähler und den Hochfrequenzzähler durchgeführt werden, um die Meßfühlersignalperiode und - Frequenz zu ermitteln.

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Umwandlung der Periode eines periodischen Signals in ein digitales Zählsignal, während Figur 4 Schwingungsformen an verschiedenen Punkten der Vorrichtung nach Figur 3 zeigt. Ein Druckmeßfühler 20 mit schwingender Membran, wie er weiter oben erläutert wurde, liefert sein periodisches Ausgangssignal an einer Leitung 21 über ein Perioden- Taktsteuerverknüpfungsglied 23 an einen Meßfühlersignalperiodenzähler 23- Das periodische Signal von dem Meßfühler 20 ist mit dem Bezugszeichen A bezeichnet und in Figur 4 als Meßfühlerfrequenz aufgeführt. Das Meßfühlerfrequenzsignal, das über das Verknüpfungsglied 23 an den Zähler 23 übertragen wird, ist mit dem Bezugszeichen E bezeichnet und in Figur 4 als Periodentakt bezeichnet. Das periodische Signal an der Leitung 21 wird weiterhin aus noch zu erläuternden Gründen eine Steuerschaltung 24 zugeführt.

Ein Hochfrequenz- Taktimpulsgenerator 25 liefert ein hochfrequentes Taktimpulssignal über eine Leitung 26 und ein Hochgeschwindungkeits- Taktverknüpfungsglied 28 an einen Hochgeschwindigkeitszähler 27. Das Hochfrequenz- Taktimpulssignal an der Leitung 26 ist mit dem Bezugszeichen C bezeichnet und in Figur 4 als Oszillatorausgang aufgeführt. Das über das Verknüpfungsglied 28 an den Zähler 27

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weitergeleitete Hochfrequenz- Taktimpulssignal ist mit dem Bezugszeichen F bezeichnet und in Figur 4 als Hochgeschwindigkeitstakt aufgeführt.

Die digitalen Zählausgänge von den Zählern 22 und 27 bilden ein digitales Zählsignal, das einem Mikroprozessor 29 zugeführt werden kann, in/dem Berechnungen zur Ableitung eines die Periode des periodischen Signals von dem Meßfühler 20 darstellenden digitalen Zählsignals bei 30 anhand der Zählausgänge der Zähler 22 und 27 sowie eines Signals bei 31 durchgeführt werden können, was die Frequenz des Ausgangssignals des Meßfühlers 20 darstellt. Das höchstbewertete Bit (msb) des Zählausganges von dem Zähler 27 wird über eine Leitung 32 der Steuerschaltung 24 zugeführt, und zwar aus noch erläuternden Gründen. Das höchstbewertete Signal von zu dem Zähler 27 ist mit dem Bezugszeichen G bezeichnet und in Figur 4 als MSB des Hochgeschwindigkeitszählers aufgeführt.

Zu Beginn eines Umwandlungsintervalls erfolgt über den Mikroprozessor 29 eine Voreinstellung des Zählers 27 auf eine vorgegebene Zähler- Voreinstellzahl über Leitungen 33, wie dies noch näher erläutert wird. Der Mikroprozessor 29 liefert weiterhin ein Umwandlungsstart-Befehlssignal über eine Leitung 34 an die Steuerschaltung 24. Das Umwandlungs- Start-Befehlssignal ist mit dem Bezugszeichen B bezeichnet und in Figur 4 als Umwandlungsbeginnsignal gekennzeichnet.

In Abhängigkeit von dem Umwandlungs-Start-Befehl an der Leitung 34, dem höchstbewerteten Signal an der Leitung 32 und dem Meßfühlerausgangssignal an der Leitung 21 liefert die Steuerschaltung 24 ein Freigabesignal an

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einer Leitung 35, um die Verknüpfungsglieder 23 und 28 in einer noch zu beschreibenden Weise freizugeben. Das Freigabesignal an der Leitung 35 ist mit dem Bezugszeichen D bezeichnet und in Figur 4 als Freigabesignal aufgeführt.

Unter weiterer Bezugnahme auf die Figur 3 und 4 wird im folgenden die Bezugsweise der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Umwandlung der Periode eines periodischen Signals in ein digitales Zählsignal· beschrieben. Bei Abgabe des Umwandlungs-Start-Befehls von dem Mikroprozessor 29 an die Steuerschaltung 24 setzt die Steuerschaltung 24 den Meßfühlersignalperiodenzähler 22 auf Null zurück und setzt weiterhin das höchstbewertete Bit und eine Anzahl von niedriger bewerteten Bits des Hochgeschwindigkeitszählers 27 über nicht gezeigte Verbindungen auf Null, über Leitungen 33 wird die Zählervoreinstellzahl von dem Mikroprozessor 29 in die übrigen höherbewerteten Bits des Zählers 27 geladen. Die Größe der Zähler - Voreinstellzahl steuert die Dauer des Umwandlungsintervalls und damit die Auflösung der Vorrichtung in noch näher zu erläuternder Weise. Für einen vorgegebenen Meßfühler mit schwingender Membran und vorgegebene Systemeigenschaften und -Bedingungen ist die von dem Mikroprozessor 29 vorgegebene Zähler - Voreinstellzahl im allgemeinen eine Konstante, die in das Systemprogramm eingegeben ist. Weil die Zähler - Voreinstellzahl durch ein Pro.-gramm geliefert wird, kann diese Zahl leicht geändert werden, um sich ändernde Systemforderungen zu berücksichtigen. Die Zähler-Voreinstellzahl kann zur Berücksichtigung einer Änderung der Meßfühlereigenschaften aufgrund des Ersatzes des Meßfühlers oder einer Änderung der Systembedingungen geändert werden, beispielsweise bei einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Auflösung der Druckmessung oder der Genauigkeit oder

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einer Änderung der gewünschten Umwandlungszeit. Bei Dual-Meßfühlersystemen, wie z.B. bei Flugdatenrechnern, können die Meßfühlersignale in Multiplextechnik an die Vorrichtung geliefert werden, und es können unterschiedliche Voreinstellzahlen für jeden Meßfühler verwendet werden, wie dies durch die Systemkonstruktion bedingt ist.

Nach der Abgabe des Umwandlungsbeginn-Befehlsimpulses an der Leitung 34 liefern übliche Schaltungen innerhalb der Steuerschaltung 24 in Abhängigkeit von der nächstfolgenden Anstiegsflanke des Meßfühlerausgangssignals an der Leitung 21 das Freigabesignal an der Leitung 35. Das Freigabesignal an der Leitung 35 gibt das Periodentakt-Verknüpfungsglied 23 und das Hochgeschwindigkeits-Taktverknüpfungsglied 28 frei, so daß das Periodentaktsignal an den Meßfühlersignalperiodenzähler 22 und das Hochgeschwindigkeitstaktsignal an den Hochgeschwindigkeitszähler 27 übertragen wird. Es ist daher zu erkennen, daß bei Auftreten der ersten Anstiegsflanke des Meßfühlerausgangssignals nach dem Umwandlungsbeginn-Befehl die Zähler und 27 eine Zählung der jeweils zugeführten Signale beginnen. Weil der Meßfühlersignalperiodenzähler 22 zu Anfang auf Null zurückgesetzt wurde, beginnt dieser Zähler 22 ausgehend von der Zählung von Null aufwärts zu zählen. Weil der Hochgeschwindigkeitszähler 27 zu Anfang auf die Zählervoreinstellzahl voreingestellt wurde, beginnt dieser Zähler 27 in Vorwärtsrichtung von der Zählervoreinstellzahl zu zählen. Während der Zählvorgang fortschreitet, akkumuliert der Zähler 22 die Zählung der Meßfühlersignalperioden, die seit dem Starten des Zählvorganges aufgetreten sind, und der Hochgeschwindigkeitszähler 27 akkumuliert die Summe der Zahl, auf die der Zähler ursprünglich voreingestellt wurde, plus der Anzahl der Perioden

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des Oszillators 25, die seit Beginn des Zählvorganges aufgetreten sind.

Während der Zähler 27 weiter die Hochgeschwindigkeitstaktimpulse zählt, steigt die in diesem Zähler akkumulierte Zählung schließlich auf einen Wert an, bei dem das höchstbewertete Bit des Zählers gesetzt wird. Übliche Schaltungen innerhalb der Steuerschaltung 24 sprechen auf das höchstbewertete Signal von dem Zähler 27 und das Meßfühlerausgangssignal an der Leitung 21 an und beenden das Freigabesignal an der Leitung 35 bei Auftreten der nächstfolgenden Anstiegsflanke des Meßfühlerausgangssignals. Daher werden bei Auftreten der Vorderflanke des Meßfühlerausgangssignals, die auf das Setzen des höchstbewerteten Bits des Zählers 27 folgt, die Verknüpfungsglieder 23 und 28 gesperrt, so daß der Zählvorgang sowohl in dem Meßfühlersignalperiodenzähler als auch in dem Hochgeschwindigkeitszähler 27 beendet wird.

Es ist aus der vorstehenden Beschreibung zu erkennen, daß das Umwandlungszeitintervall, das durch den Freigabeimpuls D gemäß Figur 4 begrenzt ist, und währenddessen die Zähler 22 und 27 zur Zählung freigegeben werden, über eine ganzzahlige Anzahl von Perioden des Meßfühlerausgangssignals auftritt. Am Ende des Umwandlungsintervalls enthält der Meßfühlersignalperiodenzähler 22 eine digitale Zählung der Anzahl der aufgetretenen Meßfühlersignalperioden, während der Hochgeschwindigkeitszähler 27 eine digitale Zählung der voreingestellten Zahl plus der Anzahl von Perioden des ·

Hochgeschwindigkeitssignals, die während des Umwandenthält lungsintervalls aufgetreten sind/. Der digitale Perio-

denzählausgang von dem Meßfühlersignalperiodenzähler

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22 und der digitale Hochgeschwindigkeitszählausgang von dem Hochgeschwindigkeitszähler 27 bilden ein digitales Zählsignal, das zur Eingabe in den Mikroprozessor 29 zur Errechnung der Periode des Meßfühlerausgangssignals sowie dessen Frequenz geeignet ist. Entsprechend dividiert der Mikroprozessor 29 die Dauer des Umwandlungsintervalls durch die Anzahl der während des Umwandlungsintervalls auftretenden Meßfühlersignalperioden, um die Meßfühlersignalperiode zutermitteln. Die Meßfühlersignalfrequenz wird aus dem reziproken Wert der Meßfühlersignalperiode berechnet. Die Umwandlungszeit wird von dem Zählausgang des Hochgeschwindigkeitszählers 27, der Zählervoreinstellzahl und der Frequenz des Hochgeschwindigkeitstaktsignals abgeleitet.

In Figur 5A ist ein Diagramm der aufeinanderfolgenden Zählerzustände dargestellt, die ein Beispiel für die Betriebsweise der Vorrichtung nach Figur 3 geben. Bei dieser als Beispiel verwendeten Ausführungsform ist der Hochgeschwindigkeitszähler 27 ein 21-Bit-Zähler, während der Meßfühlersignalperiodenzähler 22 durch einen 7-Bit-Zähler gebildet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Bits 13-19 des Hochgeschwindigkeitszählers 27 von dem Mikroprozessor 29 auf den Wert (0111010) voreingestellt, so daß der Anfang/des Hochgeschwindigkeitszählers gleich (475136) in Dezimalschreibweise ist. Als höchstbewertete Bit 20 des Hochgeschwindigkeitszählers 27 sowie die niedrigstbewerteten Bits 0-12 werden zu Anfang in der vorstehend beschriebenen Weise gelöscht, d.h. auf Null gesetzt. Es ist zu erkennen, daß nachdem das höchstbewertete Bit 20 des Hochgeschwindigkeitszählers 27 in den EIN-Zustand schaltet, der Zählvorgang fortgesetzt wird, bis die nächste Anstiegsflanke des Meßfühlerausgangssignals auftritt. Figur 5^B

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umreißt die Art und Weise, wie die digitalen Zählausgänge von den Zählern 22 und 27 verwendet werden können, um die Meßfühlerfrequenz zu liefern. Es sei bemerkt, daß für eine Meßfühlersignalfrequenz von ungefähr 1793Hz die Umwandlungszeit zwischen 18 und 19 Millisekunden liegt. Die Figuren 6A und 6B geben ein weiteres Beispiel für die Betriebsweise der Vorrichtung nach Figur 3, bei der der Hochgeschwindigkeitszähler auf die Voneinstellzahl (001011) voreingestellt, was zu einem Hochgeschwindigkeitszähler - Anfangszustand von (228814) in Dezimalschreibweise führt. Es ist zu erkennen, daß für eine Meßfühlersignalfrequenz von ebenfalls 1793Hz die Umwandlungszeiten nunmehr zwischen 26 und 27 Millisekunden liegt.

Die Beispiele nach den Figuren 5A und 6A zeigen, daß die Umwandlungszeit durch die Voreinstellzahl gesteuert ist, die von dem Mikroprozessor 29 geliefert wird, so daß die Umwandlungszeit direkt unter der Steuerung des Mikroprozessors steht. Es ist zu erkennen, daß die in 5B und 6B umrissene Berechnung ohne weiteres mit Hilfe von üblichen diskreten Digital- oder Analogschaltungen oder durch kodierte Programme in einem ein Programm speichernden Digitalrechner entsprechend üblicher Programmroutinen ausgeführt werden kann, die anhand der angegebenen Berechnungen ausgearbeitet werden

Weil eine Vergrößerung der Umwandlungszeit zu einer Zeitintervall-Mittelwertbildung über eine größere Anzahl von Meßfühlersignalperioden führt, führt eine Vergrößerung der Umwandlungszeit zu einer Vergrößerung der Auflösung. Weil eine Vergrößerung der Umwandlungszeit dazu führt, daß eine größere Anzahl ivon Hochgeschwindigkeittaktimpulsen akkumuliert wird, wird die

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Bit-Wertigkeit der des Impulses entsprechend verringert. Daher stellt bei einer Vergrößerung der Umwandlungszeit jeder Hochgeschwindigkeitsimpuls eine kleinere inkrementale Druckänderung dar,wodurch die Druckauflösung der Vorrichtung vergrößert wird. Weil die Umwandlungszeit durch die Voreinstellzahl gesteuert wird, die von dem Mikroprozessor 29 an den Hochgeshcwindigkeitszähler geliefert wird, ist zu erkennen, daß die Auflösung der Vorrichtung direkt durch den digitalen Mikroprozessor 29gesteuert ist. Wenn daher die Voreinstellzahl vergrößert wird, verringert sich die Umwandlungszeit, und die Ungewißtheit oder Unsicherheit der Druckmessung oder der Meßfühlersignalfrequenz steigt an. Der umgekehrte Effekt ergibt sich für eine Verringerung der Voreinstellzahl.

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Es ist daher zu erkennen, daß im Gegensatz/ der vorstehend anhand der Figur 2 erläuterten bekannten Vorrichtung, bei der eine Änderung der Umwandlungszeit oder Auslösung eine unerwünschte Änderung der Schaltung, bzw. Bauteile erfordert, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Änderungen dieser Systemparameter durch eine einfache Programmänderung in dem Zähler nach Figur 3 durchgeführt werden. Daher kann durch die Verwendung des Zählers nach Figur 3 die Umwandlungszeit und Auflösung des Systems durch einen Rechner gesteuert werden, was die Möglichkeit der Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Meßfühler, Anwendungen und Bedingungen erleichtert.

Zu Verdeutlichung der Verbesserungen, die sich durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ergeben können, sei ein spezieller. Druckmeßfühler über einen bestimmten Druckmeßbereich betrachtet, über den

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sich die Meßfühlersignalfrequenz von 942,86Hz auf 365,O6Hz ändert. Bei Verwendung einer Wandler-Vorrichtung der bekannten Art, wie sie anhand der Figur 2 beschrieben wurde, ändert sich die Umwandlungszeit für eine feste Anzahl von 16 Meßfühlersignalperioden von 4,49 auf 18 Millisekunden. Unter Verwendung der im vorstehenden beschriebenen erfindungsgeraäßen Wandlervorrichtung bei einer Einstellung der minimalen Umwandlungszeit auf 7,68 Millisekunden ändert sich die Umwandlungszeit nunmehr von 7,68 auf 9,8 Millisekunden. Daher ist die maximale Umwandlungszeit der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung kürzer als die der bekannten Vorrichtung, und die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt zusätzlich eine bessere Auflösung für den schlechtesten Fall als die bekannte Vorrichtung. Es ist daher zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Wandlervorrichtung gleichzeitig hinsichtlich der Druckauflösung und der Umwandlungszeit verglichen mit bekannten Vorrichtungen verbessert ist. Die Umwandlungszeit für die erfindungsgemäße Wandlervorrichtung ist verglichen mit dem bekannten Stand der Technik relativ konstant. Weiterhin ändern sich bei der bekannten Vorrichtung die Meßfühlersignalperioden-Bit-Wertigkeit jedes Hochgeschwindigkeitstaktimpulses und die entsprechende Meßfühlersignalperioden-Auflösung in unerwünschter Weise, während bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Hochgeschwindigkeitswertigkeit und die Meßfühlerperiodenauflösung im wesentlichen konstant sind.

Die vorliegende Erfindung wurde im vorstehenden anhand der Beendigung des Umwandlungsintervalls entsprechend dem Setzen des höchstbewerteten Bits (MSB) des Hochgeschwindigkeitszählers 27 beschrieben. Es ist verständlich, daß irgendeine vorgegebene Zäh-

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lung des Hochgeschwindigkeitszählers 27 für die gleiche Wirkung verwendet werden kann. Weiterhin sind andere Mechanismen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls möglich. Beispielsweise kann eine Zeitsteuereinrichtung, wie z.B. ein monostabiler Multivibrator dazu verwendet werden, um ein vorgegebenes Zeitintervall von der An-" Stiegsflanke des Freigabesignals ausgehend festzulegen, um das Freigabesignal bei der nächstfolgenden Anstiegsflanke der Meßfühlersignalfrequenz nach dem vorgegebenen Zeitintervall zu beenden. Alternativ kann der Meßfühlersignalperiodenzähler 22 zur Steuerrung des Hochgeschwindigkeits- Taktverknüpfungsgliedes entprechend der Zählung über eine Zeit verwendet werden, die größer als ein oder gleich einem gleich vorgegebenen Intervall ist, so daß das Hochgeschwindigkeits- Taktverknüpfungsglied für eine ganzzahlige Zahl von Meßfühlersignalperioden freigegeben wird, die gerade das vorgegebene Zeitintervall überschreiten.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform wurde anhand der Verwendung der Anstiegsflanke des Meßfühlersignals zur Einleitung und Beendigung des Umwandlungsintervalls beschrieben. Es ist verständlich, daß alternativ irgendeine vorgegebene zeitliche Phasenlage dieses Signals für diesen Zweck verwendet werden kann. Beispielsweise kann die Abfall- oder Hinterflanke dieses Signals zu diesem Zweck verwendet werden. Alternativ kann das Umwandlungsintervall an einer Anstiegsflanke gestartet und an einer Hinterflanke beendet werden, oder umgekehrt. Bei dieser Anordnung wird eine ganzzahlige Zahl von Meßfühlersignalperioden plus einer halben Meßfühlersignalperiode bei den Berechnungen verwendet.

Die Figuren 5B und 6B zeigen spezielle Berechnungen

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zur Lieferung der Meßfühlersignalperiode und der Meßfühlerfrequenz. Diese Berechnungen umfassen die Ableitung der Umwandlungszeit durch Subtraktion der Zählervoreinstellzahl von dem Zählausgang des Hochgeschwindigkeitszählers 27 und nachfolgende Division durch die Frequenz des Hochgeschwindigkeitstaktes. Es ist verständ lich, daß derartige Berechnungen lediglich Beispiele darstellen, daß auch andere Berechnungen bei Erzielung des gleichen Ergebnisses verwendbar sind.

Die im vorstehenden beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung stellt einen adaptiven Wandler dar, bei dem automatisch die Anzahl der Meßfühlersignalperioden, über die die Zeitintervall -Mittelwertbildung durchgeführt wird, entsprechend dem von dem Rechner gesteuerten Umwandlungsintervall hingestellt wird. Die Anzahl der Meßfühlersignalperioden ist in Abhängigkeit von dem Umwandlungsintervall veränderlich. Die Erfindung kann dazu verwendet werden, die maximale Anzahl von Meßfühlersignalperioden auszuwählen, über die die Mittelwertbildung durchgeführt werden soll.

Bei der Ausführungsform nach Figur 3 wird eine Hochgeschwindigkeits- Taktimpulsfolge verwendet, die bezüglich des Umwandlungs-Start-Impulses und bezüglich des Beginns des Umwandlungsintervalls asynchron ist. Es ist verständlich, daß auch eine synchronisierte, Taktimpulssteuerung bei dieser beschriebenen Vorrichtung verwendet werden kann, um eine weitere Verbesserung der Genauigkeit aufgrund der Zeitintervall-Mittelwertbildung zu erzielen. Bei einem derartigen System würden die Taktimpulse eine Logik triggern, die die Synchronisierfunktion ergibt. Obwohl die Vorrichtung in Verbindung mit einem Druckmeßfühler mit schwingender Membran beschrieben wurde, ist es verständlich, daß diese Vorrichtung auch in Verbindung

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mit anderen Meßfühlern oder Einrichtungen verwendet werden kann, die periodische Signale liefern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ergibt den zusätzlichen Vorteil der Verringerung des effektiven Rauschens des Systems- Weil bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung die Mittelwertbildung allgemein über längere Zeitintervalle als bisher durchgeführt wird,
wird das System-Rauschen oder auch andere Störungen in wirkungsvollerer Weise ausgemittelt.

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Leerseite

Claims

f)ίρl.-^bg^ Curt Wallach .:.. : """DFj-p|.l-fng^:; Günther Koch 49J- Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum:

Unser Zeichen: 17 125 - Fk/Vi

Patentansprüche :

-j Vorrichtung zur Umwandlung der Periode eines periodischen Signals in ein digitales Zählsignal, gekennzeichnet durch Steuereinrichtungen (24) zur Einleitung eines Umwandlungsintervalls bei einer vorgegebenen zeitlichen Phasenlage des periodischen Signals und zur Beendigung des Umwandlungsintervalls beim nächstfolgenden Auftreten der vorgegebenen zeitlichen Phasenlage des periodischen Signals nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls nach dem Einleiten des Umwandlungsintervalls, erste Zählereinrichtungen (22, 23) , die durch die Steuereinrichtungen (24) freigegeben werden, um die Perioden des periodischen Signals zu zählen, die während des Umwandlungsintervalls auftreten, so daß eine ganzzahlige Zahl der Perioden gezählt wird, Taktimpulsgeneratoreinrichtungen (25) zur Lieferung eines Taktimpulssignals, und zweite Zählereinrichtungen (27,28) die durch die Steuereinrichtungen (24) freigegeben werden, um die Impulse des Taktimpulssignals zu zählen, die während des Umwandlungsintervalls auftreten, so daß die Zählausgänge der ersten und zweiten Zählereinrichtungen das digitale Zählsignal bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinrichtungen (24) Einrichtungen zur Voreinstellung der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) auf eine erste vorgegebene Zählung zur Bestimmung des vorgegebenen Zeitintervalls einschließen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, ' dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinrichtungen (24) auf das periodische Signal

und auf eine zweite vorgegebene Zählung der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) ansprechende Einrichtun-

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gen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls nach dem nächsten Auftreten der vorgegebenen zeitlichen Phasenlage des periodischen Signals einschließen, die auf das Auftreten der zweiten vorgegebene Zählung der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) folgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite vorgegebene Zählung durch das Schalten eines vorgegebenen Bits der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) dargestellt ist, und daß die Einrichtungen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls auf das periodische Signal und auf das vorgegebene Bit der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) ansprechende Einrichtungen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls bei dem nächsten Auftreten der vorgegebenen zeitlichen Phasenlage des periodischen Signals nach dem Schalten des vorgegebenen Bits der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) einschließen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß das vorgegebene Bit durch das höchstbewertete Bit der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) gebildet ist, und daß die Einrichtungen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls durch auf das periodische Signal und das höchstbewertete Bit der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) ansprechende Einrichtungen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls bei dem nächsten Auftreten der vorgegebenen zeitlichen Phasenlage des periodischen Signals gebildet sind, die auf das Schalten des vorgegebenen Bits der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) folgt.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die vorgegebene zeitliche Phasenlage an den Anstiegsflanken des periodischen Signals auftritt und daß die Steuereinrichtungen (24) Einrichtungen zur Einleitung des Umwandlungsintervalls beim Auftreten einer Anstiegsflanke des periodischen Signals und zur Beendigung des Umwandlungsintervalls bei dem nächstfolgenden Auftreten einer Anstiegsflanke des periodischen Signals nach dem Ende eines vorgegebenen Zeitintervalls nach Einleitung des Umwandlungsintervalls einschließen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß die vorgegebene zeitliche Phasenlage an den Anstiegsflankeri des periodischen Signals liegt, und daß die Einrichtungen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls durch auf das periodische Signal und die zweite vorgegebene Zählung der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) ansprechende Einrichtungen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls nach dem nächsten Auftreten einer Anstiegsflanke des periodischen Signals gebildet sind, die' auf das Auftreten der zweiten vorgegebenen Zählung der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) folgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die vorgegebene zeitliche Phasenlage an den Anstiegsflanken des periodischen Signals liegt, und daß die Einrichtungen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls durch auf das periodische Signal und das höchstbewertete Bit der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) ansprechende Einrichtungen zur Beendigung des Umwandlungsintervalls bei dem nächsten Auftreten einer Anstiegsflanke des periodischen Signals nach dem Schalten des höchstbewerteten Bits der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) gebildet sind.

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9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die ersten Zählereinrichtungen (22, 23) durch einen ersten Zähler (22) und Verknüpfungsglieder (23) gebildet sind, die auf das periodische Signal ansprechen und mit den Steuereinrichtungen (24) gekoppelt sind, um das periodische Signal während des Umwandlungsintervalls an den ersten Zähler (22) weiterzuleiten.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) durch einen zweiten Zähler (27) und Verknüpfungsglieder (28) gebildet sind, die auf das Taktimpulssignal ansprechen und mit den Steuereinrichtungen (24) gekoppelt sind, um das Taktimpulssignal während des Umwandlungsintervalls an den zweiten Zähler (27) zu übertragen.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Datenverarbeitungseinrichtungen (29) die auf die Zählausgänge der ersten und zweiten Zählereinrichtungen ansprechen und daraus die Periode des periodischen Signals berechnen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 2,

gekennzeichnet durch Datenverarbeitungseinrichtungen· (29) zur Lieferung der ersten vorgegebenen Zählung an die zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) und zur Berechnung des periodischen Signals durch Subtraktion der ersten vorgegebenen Zählung von dem Zählausgang der zweiten Zählereinrichtungen (27, 28) und durch Division der Differenz hiervon durch die Frequenz des Taktimpulssignals und durch den Zählausgang der ersten Zählereinrichtungen (22, 23).

-5a-

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13- Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinrichtungen (24) auf ein Umwandlungsstartbefehlssignal ansprechende Einrichtungen zur Einleitung des Umwandlungsintervalls bei dem nächsten Auftreten der vorgegebenen zeitlichen Phasenlage des periodischen Signals nach dem Auftreten des Umwandlungsstartbefehlssignals und zur Beendigung des Umwandlungsintervalls bei dem nächsten Auftreten der vorgegebenen zeitlichen Phasenlage des periodischen Signals nach dem vorgegebenen Zeitintervall nach der Einleitung des Umwandlungsintervalls einschließen.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Verwendung mit einem Druckmeßfühler mit einer schwingenden Membran,

dadurch gekennzeichnet,

daß das periodische Signal von dem Meßfühler (20) geliefert wird.
15. Vorrichtung zur Umwandlung der Periode eines periodischen Signals in ein digitales Zählsignal, gekennzeichnet durch Steuereinrichtungen (24) zur Einleitung eines Umwandlungsintervalls bei einer ersten vorgegebenen zeitlichen Phasenlage der periodischen Signals und zur Beendigung des Umwandlungsintervalls bei dem nächsten Auftreten einer zweiten vorgegebenen zeitlichen Phasenlage des periodischen Signals, die auf ein vorgegebenes Zeitintervall nach der Einleitung des Umwandlungsinterwalls folgt, erste Zählereinrichtungen (22, 23) die durch die Steuereinrichtungen (24) freigegeben werden, um die Perioden des periodischen Signals zu zählen, die während des Umwandlungsintervalls auftreten, « so daß eine ganzzahlige Zahl der Perioden gezählt wird,

■ ■ ■ . -5b-

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Taktirapulsgeneratoreinrichtungen (25) zur Lieferung eines Taktimpulssignals, und zweite Zählereinrichtungen (27,28), die von der Steuereinrichtung (24) freigegeben werden, um die Impulse des Taktimpulssignals zu zählen, die während des Umwandlungsintervalls auftreten, wobei die Zählausgänge der ersten und zweiten Zählereinrichtungen das digitale Zählsignal bilden.

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