DE2217777A1 - Vorrichtung zum Messen eines Zeitintervalls - Google Patents

Description

FPHN.5865.

Va/EVH.

Dr. Herbert Seholg Patentanwalt

tameU«: N. V. Philips' GfoeüampenfabriekfiÖ

Akte Na. TFV.- 586¹^ Aameldung vomi 1 ¹ . Ar>rll . 1 972

Vorrichtung zum Messen eines ZeitIntervalls,

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen eines Zeitintervalls. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zum Messen eines Zeitintervalls mit einem Kondensator, einer sich daran anschliessenden Ladevorrichtung, die dem Kondensator während eines ersten Zeitintervalls in Abhängigkeit von dem zu messenden Zeitintervall Ladung zuführt, einer Entladevorrichtung, die während eines zweiten ZeitIntervalls, das zu dem ersten Zeitintervall in Beziehung steht, Ladung von dem Kondensator abführt, und Mittel zum Messen des zweiten ZeitIntervalls. Derartige Vorrichtungen ermöglichen die Messung sehr kurzer Zeitintervalle dadurch, dass sie eine proportionale Verlängerung dieser Intervalle bewirken, wobei von dem nachstehenden Prinzip ausgegangen wirdt Ein Kondensator wird

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während einer Zeit aufgeladen, die der zu messenden Zeit proportional ist, wonach dieser Kondensator während einer viel längeren Zeit, die zu der zu messenden Zeit in einem bekannten Verhältnis steht, entladen wird.

Derartige bekannte Vorrichtungen bestehen z.B. aus einem ersten Stromgenerator, der über einen Unterbrecher einerseits mit einem Kondensator, dessen anderes Ende an Erde liegt, und andererseits mit einem zweiten Stromgenerator und einer Messvorrichtung verbunden ist. Dieser zweite Generator lässt einen Strom i f Hessen, der von dem Kondensator herrührt und zu diesem Generator fliesst und dessen Wert viel kleiner als der des Stromes I ist, der von dem ersten Generator abgegeben wird und der von dem ersten Stromgenerator zu dem Kondensator fliesst, wenn der Unterbrecher geschlossen ist. Dann wird der Unterbrecher während einer zu messenden Zeit t.. geschlossen, wobei der erste Generator den Kondensator linear bei einem konstanten Strom auflädt, der gleich I-i und somit praktisch gleich I ist. Wenn die Zeit t₁ vergangen ist, öffnet sich der Unterbrecher und entlädt sich der Kondensator linear, wobei der Entladestrom gleich i ist. Die Entladezeit t₂ ist der Ladezeit t.. im Verhältnis i/i proportional. Anschliessend wird die Messzeit t₂ mit Hilfe einer Zeitmessvorrichtung gemessen, z.B. dadurch, dass mittels eines Zählers die Impulse einer Hochfrequenzimpulsquelle gezählt werden. Die Zeit t.. lässt sich dann herleiten, weil das Verhältnis i/l bekannt ist.

Eine derartige Vorrichtung weist viele Nachteile auf,

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von denen die bedeutendsten folgende sind:

Es ist sehr schwierig, Stromgeneratoren herzustellen, die einen sehr geringen Strom, wie i, abgeben und die bei Anwendung der jetzt käuflich erhältlichen Schaltungselemente eine genügende Stabilität aufweisen.

Ferner ist eine lineare Entladung störend, weil wegen der sehr geringen Neigung der Entladekurve der Uebergang zu einer bestimmten SpannungsschwelIe über dem Kondensator sich nicht genau feststellen lässt.

Die Vorrichtung nach der Erfindung schafft die Möglichkeit, diese Nachteile zu verringern.

Sie bezweckt, zwischen den Lade- und Entladezeiten des Kondensators ein Verhältnis zu erzielen, das einfach, stabil und genau sein muss. Ferner bezweckt sie, eine derartige Entladekurve des Kondensator zu erhalten, dass die Messung des Uebergangs zu einer bestimmten SpannungsschwelIe, die über dem erwähnten Kondensator auftritt, genau ist, d.h., dass der Uebergang dieser Spannung zu dieser Schwelle schnell stattfindet. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung nach der Erfindung derart ausgebildet, dass das Verhältnis zwischen den Lade— und Entladezeiten des Kondensators gleich dem Verhältnis zwischen zwei Widerständen ist.

Nach der Erfindung ist eine Zeitintervallmessvorrichtung der in der Einleitung genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung einen ersten Widerstand enthält, der während des ersten Zeitintervalls an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, während die Entladevorrichtung einen Operationsverstärker enthält, der ,

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mit der ersten Eingangsklemme an den Kondensator und
mit der zweiten Eingangsklemme über einen zweiten Widerstand an die erwähnte Spannungsquelle angeschlossen ist, wobei ferner ein dritter Widerstand zwischen dem Ausgang und der ersten Eingangsklemme und ein vierter Widerstand zwischen dem Ausgang und der zweiten Eingangsklemme des
Operationsverstärkers angebracht ist, während die Mittel zum Messen des zweiten Zeitintervalls eine Spannungsvergleichsschaltung enthalten, deren erster Eingang an die
erwähnte zweite Eingangsklemme und deren zweiter Eingang an die Referenzleitung angeschlossen ist, an die auch die Spannungsquelle und der Kondensator angeschlossen sind,
derart, dass das Verhältnis zwischen dem ersten und dem
zweiten Zeitintervall dem Verhältnis zwischen den Werten des vierten und des dritten Widerstandes proportional ist.

Bei einer AusfUhrungsform nach der Erfindung besteht die Spannungsquelle aus einem Impuls der zu messenden Zeitdauer und mit einer veränderlichen Amplitude, der in einer Speichervorrichtung gespeichert wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 schematisch eine Vorrichtung mit einem
Schliesschalter nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausftihrungsform nach der Erfindung mit einem Unterbrecherschalter,

Fig, 3 eine Kurve, die den Verlauf der Spannung Ober dem Kondensator als Funktion der Zeit darstellt,

Fig, k eine andere Ausführungsform der Vorrichtung

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nach der Erfindung, die als Schalter dienende monostabl Le Multivibratoren enthält, und

Pig. 5 ein Schaltbild einer Ausflihrungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

In Fig. 1 bezeichnet S₁ einen Schalter, der während des zu messenden Zeitintervalls geschlossen wird. Am Anfang der Messung weist der Kondensator 14 ein festes Bezugspotential auf, z.B. das Erdpotential, das als eine gemeinsame Bezugsleitung dargestellt ist.

Der Schalter S₁ ist einerseits mit dem Kondensator I und andererseits mit dem Widerstand 12 verbunden, dessen anderes Ende mit einer Spannunpsquelle 13 verbunden ist. Der Kondensator 14, von dem ein Ende an Erde liegt, ist an einen Eingang 15 eines Operationsverstärkers 16 und an ' einen Widerstand 17 angeschlossen. Ein zweiter Eingang 18 des Operationsverstärkers 16 ist einerseits mit der Spannungsquelle 13 über den Widerstand 19 und andererseits mit Messmitteln 21 vom bekannten Typ und mit einem Widerstand 22 verbunden, dessen anderes Ende mit dem Widerstand und mit dem Ausgang 23 des Operationsverstärkers 16 verbunden ist. Die Quelle 13 und ein Bezugseingang der Messmittel 21 sind ebenfalls an Erde gelegt.

Während des Intervalls, in dem S₁ geschlossen ist, wird die Spannung am Kondensator i'l· nach einer e-Potenz auf das Potential der Quelle 13 mit einer durch den Widerstand 12 und die Kapazität des Kondensators 14 bestimmten Zeitkonstante zunehmen. Zu dem Zeitpunkt, zu dem sich S₁ öffnet, weist die Spannung V₁^ am Kondensator 1^ einen

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Wert V auf, der zwischen O und V.„ der Spannung der Quelle 13 liegt, Der Entladestrom, der den Widerstand 17 durchfliesst und beim Aufladen vernachlässigbar war, wird nun den Kondensator entladen, Ausserdem fliesst ein Strom durch die Widerstünde 19 und 22 von der Quelle 13 zu dem Ausgang 23 des Verstärkers 16. Wegen der Eigenschaften des Operationsverstärkers wird die Spannung an der Eingangsklemme 18 der Spannung an der Eingangsklemme 15 folgen. Stets wird gelten, dass: V₁- - V₁^ = I R₁Q und I R„_? = 1 R _ ist-, wobei I den Strom durch die Widerstände 19 mit einem Wert R-Q und 22 mit einem Wert Rp_ und i den Entladestrom durch den Widerstand 17 mit einem Wert R₁- des Kondensators 14 mit einem Wert C₁J, darstellt. Auch ist:

^Vi3-^Vi4 ^R

22

14 14 17 19 iV 17

Wenn angenommen wird, dass die Kombination von Widerständen und Kondensator die Zeitkonstante T bedingt, und die Anfangsspannung am Kondensator 14 V beträgt, stellt sich heraus, dass:

/p _.■■■■■— —

dt "
woraus folgt, dass ι

V . — V — (V —V ^P ⁺' T

^V14 " ^V13 ^K 13 o^{; c L}

Wenn die Ladezeit des Kondensatorsf 1^) t.. betrug

und also gleich der zu messenden Zelt war, gilt, dass:

*1

τι η I
12* Ik J

/ ist,

t *1

Eingesetzt in die vorangehende Gleichung ergibt dies:

jt

1 X\

V₁₄ = V₁₃ (1-8

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Die Messmittel 21 nach Fig. 1 können eine

Spannungsvergleichsschaltung enthalten, die das Potential der gemeinsamen Bezugsleitung, als Erdpotential angegeben, mit dem Potential vergleicht das die Eingangsklemme 18 aufweist. Diese Vergleichsschaltung setzt die Zeitmessvorrichtung, die auch in dem Block 21 enthalten ist, bei einer positiven Spannung am Eingang 18 und somit auch am Kondensator in Betrieb und sie stoppt diese Vorrichtung wieder, wenn angezeigt wird, dass die Eingangsklemme 18 ein Potential 0 erreicht. Die Messzeit ist dann z.B. t„ gewesen und kann in die obenstehende Gleichung eingesetzt werden, wobei V₁J, also gleich 0 geworden ist. Daraus folgt, dass

oder

₁₂₁^₂₂

t₁ = = p; = t_ oder

^{1 R}19^{# 0}U 17

^R22

=— t₂ ist, wenn R₁₂ = R₁₉ ist.

R₁- kann viele Male, z.B. 10.000 Male, grosser als R₂₂ gewählt werden. Das Messintervall t„ ist dadurch um einen gleichen Faktor grosser als das zu messende Intervall t₁.

In Fig. 2 sind die entsprechenden schematisch dargestellten Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Schalter S₂ ist zu dem Kondensator 14 parallel angeordnet und ist ausserhalb des zu messenden Zeitintervalls stets geschlossen. Eine Diode 11 muss zwischen dem Kondensator Ik und dem Verbindungspunkt des Schalters S„ und des

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Widerstandes 12 angeordnet werden. Zum Ausgleich des Spannungsabfalls über der Diode 11 muss in Reihe mit dem Widerstand 19 eine Diode 20 angeordnet werden. Der Schalter S„ kann bei dieser Vorrichtung nach Fig. 2 z.B. ein Transistor, ein Flip-Flop, eine Schmitt-Kippschaltung oder ein ähnliches Halbleiterschaltungselement sein,

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Ladekurve 25 und der Entladekurve 26 des Kondensators 14. Die Spannung V über dein Kondensator ΛΗ ist als Funktion der Zeit t dargestellt, t^ ist die Ladezeit des Kondensators lh, während t„ die Entladezeit des erwähnten Kondensators ist.

Die Neigung der Entladekurve 26 ist gleich C\i im Punkt 27; V₁^ bezeichnet die Speisespannung der Vorrichtung. Die Entladekurve 26 wird durch eine Drehung von 90° um den Punkt 28 der erwähnten Ladekurve 25 und eine anschliessende Ausdehnung der Kurve entsprechend dem Widerstandsverhältnis R₁₇ ί R₂₂ hergeleitet.

Die Neigung der Entladekurve 26 nimmt beim Entladen des Kondensators lh zu. Diese Neigung hat die Eigenschaft, dass sie stets grosser wird, I3eim Erreichen der Spannung O wird ihr Wert gleich OO , Der Uebergang der Spannung über dem Kondensator 1^ zu einer bestimmten Schwellwertspannung von nahezu O kann dann genau festgestellt werden. Die Neigung Ch ]fsst sich aus einer der obenstehenden Formeln bei V... = O ermitteln und wird:

.—■ - - V

dt - " ^V13*T ~ " 13' t_? ' R₁₂.c_1i( *

Indem z.B. die maximal zu nio&sende Zeit t.. dreimal grosser als die Zeitkonstnnto R_{1 n}. C... gewählt wird, wird

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die Neigung in der Nähe des Nullpunkts auch dreimal grosser als beim bekannten System sein, wobei Lade- und Entladestromquellen verwendet werden und angenommen ist, dass das Verhältnis 't-j/'tp £l^ei^cn is* ^unc* sich der Kondensator auf höchstens V.. „ aufladen kann. Aus Pig. 3 ist die Verbesserung bereits ersichtlich, indem eine gerade Ladelinie von dem Nullpunkt zu dem Scheitelwert und somit längs der Kurve 25 und eine gerade Entladelinie längs der Kurve von dem Scheitelwert zu dem Punkt 27 gezogen wird. Die Neigung cG ist grosser und ergibt also eine bessere Nullpunktdiskrimination.

In Fig. h wird als Parallelschaltung (siehe Fig. 2) eine UND-Gatterschaltung mit Dioden 6 und 7 in Reihe mit einem geerdeten Widerstand 5 und einer Diode 9 mit geerdetem Widerstand 8 verwendet. Am Verbindung spunlct der Diode 6 und des Widerstandes 5 ist ein monostabiler Multivibrator 3 als Schalter mit einem Starteingang 1 angebracht, während am Verbindungspunkt der Diode 9 und des Widerstandes 8 ein monostabiler Multivibrator 4 mit einem Stoppeingang 2 angebracht ist.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende» Wenn der monostabile Multivibrator 3 an seinem Eingang 1 die positive Vorderflanke eines Impulses (Anfang des Messzyklus) detektiert, wird er wirksam und gibt ein Signal mit einer Breite Δ t ab. Auf gleiche Weise wird der monostabile Multivibrator k wirksam, wenn er die positive Vorderflanke des Impulses (Ende des Messzyklus) an seinem Eingang 2 detektiert, wobei er einen Impuls abgibt, dessen

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Breite etwa grosser als At ist. Die zu messende Zeit ist die Zeit t', die den Anfangsimpuls und den Endimpuls voneinander trennt. Wenn die beiden monostabilen Multivibratoren 3 und k nicht wirksam sind, fliesst der den Widerstand durchlaufende Strom über die Diode 9 und den Widerstand 8 wegen der Asymmetrie der Schaltungsanordnung zu Erde ab. Wenn der monostabile Multivibrator 3 wirksam wird, bleibt die Wirkung des Systems unverändert. Wenn die monostabilen Multivibratoren 3 und k wirksam sind, öffnet sich das UND-Gatter 2k und lädt sich der Kondensator 1U Über den Widerstand 12 und die Diode 11 auf. Sobald der monostabile Multivibrator 3 wieder unwirksam wird, schliesst sich das UND-Gatter 2k und entlädt sich der Kondensator 1U.

Der Kondensator '\k ist also während eines Zeitintervalls ι t₁ = At - t' aufgeladen; während dieses Zeitintervalls war das UND-Gatter Zk geöffnet.

Wenn sich das UND-Gatter 2k schliesst, entlädt sich der Kondensator 14 während einer Zeit t_ über den Widerstand 17. _v

Für gewisse Anwendungen kann es vorteilhaft sein, über diese indirekten Messverfahren, bei denen die konstante Zeit ^t einen grossen Einfluss auf die Genauigkeit des Messergebnisses ausübt, sehr kurze Zeiten zu messen. So kann angenommen werden, dass der monostabile Multivibrator eine Zeit von 150 Nanosekunden +^0,1 liefern kann, während der Verlängerungsfaktor 10,000 betragen kann und Impulsdauern von 0 bis 150 Nanosekunden mit einer Genauigkeit von 0,25 Nanosekunden gemessen werden können.

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Da der Wert der Speisequelle 13 ausserhalb des

Messergebnisses fällt, kann grundsätzlich die Speisequelle durch die Impulsquelle selber ersetzt werden, die eine bestimmte veränderliche Amplitude aufweisen kann. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, in der dieses Prinzip angewendet wird. Die Amplitudengrenzen des zu messenden Impulses sollen sich nicht um viele Faktoren ändern, weil dann der Neigungswinkel am Nullpunkt zu ungünstig werden kann. Eine Speichervorrichtung ist dabei erforderj.ich, in der nach der Zeit t₁ die Impulsamplitude gespeichert werden kann.

Fig. 5 enthält eine Speichervorrichtung 30 von einem bestimmten Typ mit einem Eingang 29, einem Nullpunkteinstelleingang 32, Messmitteln 21 und der Vorrichtung nach der Erfindung 31·

Die Elemente in dieser Figur, die mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind, erfüllen dieselben Funktionen. An den Eingang 29 der Speichervorrichtung 30 wird die Impulsquelle angeschlossen, die einen Impuls der zu messenden Dauer und mit einer veränderlichen Amplitude liefert. Die Speichervorrichtung wird dann auf die der Impulsamplitude entsprechende Spannung aufgeladen, während der Kondensator "\k über den Widerstand 12 aufgeladen wird. Die Vorrichtung nach der Erfindung wirkt dann genau wie zuvor. Nach Beendigung des Impulses setzt ' die Entladung über den Widerstand ein, wobei der Eingang 18 des Operationsverstärkers 16 über die Diode 20 und den Widerstand 19 von der Speichervorrichtung 30 gespeist wird, in welcher Speichervorrichtung ' ■

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Claims (5)

Patentansprüche: /TZ

1. Vorrichtung 7¹IrI Messen einen Zeitintervalls mit einem Kondensator, einer sich derpn anschließenden Ladevorrichtung, die dem Kondensator während eines ersten Zeitintervalls in Abhängigkeit von dem zu messend on .Zeitintervall. Ladung zuführt, einer Entladevorrichtung, die während eines zweiten Zeitintervalls, das zu dem erster. Zeltintervall ein gewisses Verhältnis erweist, von dem Kondensator Lrdung abführt, und Mitteln zum Messen des zweiten Zeitintervalls, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladevorrichtung einen ersten Widerstand (1?) enthält, der während des er-

sten Zeitintervalle an eine Spannungsquel1 c/angecehlosscn ist, während die Entladevorrichtung einen Operationsverstärker (16) enthält, der mit der ersten Eingangsklemme (1?) an den Kondensator (14) und mit der zweiten Eingangsklemme (18) über einen zweiten Widerstand (19) an die erwähnte Spannungsquelle (1?) angeschlossen ist, und wobei ferner ein dritter Widerstand (17) zwischen dem Ausgang (2⁷) und der ersten Eingangsklemme (1[5) und ein vierter Widerstand (22) zwischen dem Ausgang (23) und der zweiten E^ngangsklemme (1^) des Operationsverstärkers ("¹^) angebracht ist, während die Mittel zum Messen des zweiten Zc? t^'rt^r-A^7-OlIs eine Spannungsvergl eichrschaltung (21) enthalten, deren erster Eingang sn die erwähnte zweite EJngargskTcmrno (1B) und deren zwc'tor Eingang π η die Eezugsü cr'.tung angeschlossen ist, an die auch d^'o Ipnnnungsqucl 1 r> (1¹^) uni der Kondensator (M) nngrsoh? Tsen rind, 6nvrr+, d^ⁿ (*^r Verh 11 tui ρ 71.H coVioti (i^/~>^rr' ι-.^-·r'^■o^^ nrir' (lon¹ zweit^rp Z^ ^; "*'i ¹^i n⁷*— ι/η] ι dem ν^ον^"1 tni ρ ^viochon ir¹¹ ^''ⁿ■" + "η d^no ν'Ό|··|Ί<η (°^^

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BAD OFUGlNAL

und des dritten (17) Widerstandes proportional ist.

2.) Vorrichtung zum Messen von Zeitintervallen in der Größenordnung von NanοSekunden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den Werten des vierten (22) und des dritten (17) Widerstandes in der Größenordnung von 1: 10.000 liegt.

3.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, . daß ein Schalter (S1) mit dem ersten Widerstand (12) in Reihe geschaltet und während des ersten Zeitintervalls für Strom durchlässig ist.

4.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Widerstand (12) und dem Kondensator (14) eine Tordiode (11) und zwischen dem zweiten (19) Widerstand und der zweiten Eingangsklemme (18) eine Ausgleichsdiode (20) angebracht ist, während ein Schalter (S2) zwischen dem Verbindungspunkt des ersten Widerstandes (12) mit der Tordiode (11) und der erwähnten Bezugsleitung vorgesehen ist, der außerhalb des ersten Zeitintervalls Strom durchläßt und während dieses Intervalls gesperrt ist.

5.) Vorrichtung zum Messen der Zeitdauer eines τοη einer Impulsquelle gelieferten Impulses nach. Anspriieli 1 oder 2_S dadurch. gekennzeichnet, daß die Spannimgsquell® (13) <ii© Impulsquelle ist, an die der erste Widerstand. (12) in l©iia@ mit oiass? Bloele (-11) angeschlossen ist_t und deE z^IeeliQS ά@τ Ijapulscps©!!© (.13)

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und dem zweiten Widerstand (19), mit dem eine Ausgleichsdiode ^% (20) in Reihe geschaltet ist, eine Speichervorrichtung (30) angeordnet ist, die die Spannungsamplitude der Impulsquelle speichert und beibehält, wobei ein Steuer eingang (32) vorgesehen
ist, mit dessen Hilfe nach Ablauf der Zeitmessungen die Speichervorrichtung (30) auf Null zurückgenetzt wird.

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