Anordnung zur genauen elektronischen Erfassung der Grenzen eines Zeitintervalls in bezug auf einen Referenztakt

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur genauen elektroni­schen Erfassung der Grenzen eines Zeitintervalls in bezug auf einen Referenztakt, wobei Beginn und Ende des Intervalls je­weils durch ein Ereignis bestimm- bzw. meßbar sind. Zur Er­mittlung der genauen Grenzen des Zeitintervalls ist ein Kompa­rator (8) vorhanden, dessen Stromausgänge direkt einem außerdem noch vom Referenztakt angesteuerten Stromlatch (9) zugeführt werden, bei dem das Durchlassen oder das Einfrieren des augen­blicklichen Takt zustandes im Strombereich unter Zuhilfenahme minimaler Spannungspegel erfolgt.

Beschreibung

[0001] Während der Entwicklung eines elektronischen Gerätes, z.B. für dle Meßtechnik, tritt häufig das Problem auf, ein Zeitintervall zu messen. Weit verbreitet sind (z.B. in Digitalvoltmetern) integrierende Digital-Analog-Umsetzer. Dabei wird zunächst eine konstante Zeit lang mit einem dem zu messen den Analogwert pro­portionalen Strom ein Kondensator aufgeladen. Danach wird er mit einem konstanten Strom wieder bis zum Anfangswert entladen. Die dafür benötigte Zeit ist das Maß für den Analogwert. Ein weiteres Beispiel ist das Messen der Laufzeit, die ein Ultra­schallimpuls braucht, um von der Abstrahlebene des Senders zur Empfangsebene des Empfängers zu gelangen.

[0002] In beiden Fällen braucht man eine elektronische Stoppuhr zur genauen Messung der Laufzeit. Diese funktioniert im Prinzip wie eine mechanische und besteht aus
- einem Oszillator (Taktgeber),
- einem Frequenzteiler (Untersetzungsgetriebe) und
- einer Start-Stop-Einrichtung dazwischen
zur zeitlichen Ermittlung der Grenzen des die Laufzeit charak­terisierenden Zeitintervalls, die durch ein elektrisches Signal oder mehrere solcher Signale, beispielsweise über einen Kompa­rator oder mehrere Komparatoren, möglich sind.

[0003] Die Möglichkeit, den Oszillator selbst zu starten und anzuhal­ten, wird hier nicht betrachtet, da genaue Zeitmessungen nur mit eingeschwungenen Oszillatoren möglich sind.

[0004] Bei der praktischen Realisierung einer elektronischen Start-­ Stop-Einrichtung am Eingang eines Frequenzteilers sind meta­stabile Flip-Flop-Zustände möglich. Diese müssen durch geeig­nete Hilfsmittel verhindert werden. Metastabile Zustände und ihre Ursachen sowie Maßnahmen zur Verringerung der Wahrschein­lichkeit ihres Auftretens bei der Konstruktion eines flanken­gesteuerten Flip-Flops werden in der deutschen Patentanmeldung P 37 31 294.4 beschrieben.

[0005] Bei der Schaltung nach Fig. 1, mit einem einfachen UND-Gatter 1 zwischen einem Komparator 2 für die Erzeugung des Zeitivinter­valls aus den Ereignisimpulsen in bezug auf eine Referenzspan­nung einerseits und einem Oszillator 3 für die Erzeugung der Taktimpulse andererseits sowie einem Frequenzteiler, kann ein zu kurz geratener Taktimpuls den als Teiler-Flip-Flop 4 ausge­bildeten Zählstufen CL1 bis CL4 mit den Ausgängen D0 bis D3 in einen metastabilen Zustand bringen. In der Folge geraten dann eine unbekannte Zahl von Schwingungen auf die Zählstufen und verfälschen das Meßergebnis.

[0006] In der Schaltung nach Fig. 2 sind deshalb zwischen UND-Gatter 1 und Frequenzteiler 4 ein Tiefpaß 5 und ein Schmitt-Trigger 6 angeordnet. Damit ist das Problem lösbar, aber die Taktfrequenz muß zwangsläufig viel niedriger sein als die durch die verwen­deten UND-Gatter 1 und Flip-Flops CL1 bis CL4 theoretisch mög­liche.

[0007] Eine digitale Alternative zeigt die Schaltung nach Fig. 3, bei der das Signal für das Zeitintervall vor dem UND-Gatter mit dem invertierten Takt mittels eines Hilfs-Flip-Flops 7 synchroni­siert wird. Dabei ist die Taktfrequenz so niedrig zu wählen, daß mögliche metastabile Zustände des Hilfs-Flip-Flops 7 noch in der nicht aktiven Taktphase abgeklungen sind.

[0008] Aus dem Bisherigen ergibt sich auch, daß die erzielbare Ge­nauigkeit bei der Zeitintervallmessung nicht nur durch die not­wendigen Maßnahmen zum Ausschluß metastabiler Zustände, sondern auch durch die Periodendauer des Taktes begrenzt ist. Eine hohe Taktfrequenz ist zwar vorteilhaft, stößt aber, wie die ge­nannten Beispiele zeigen, in der Praxis auf Schwierigkeiten. Das trifft besonders für Geräte zu, die mit geringer Strom­aufnahme und deshalb mit möglichst niedriger Arbeitsfrequenz arbeiten müssen.

[0009] Zwar ist es in vielen Fällen möglich, den Start des Intervalls mit dem Takt zu synchronisieren. Dies ist hilfreich, aber am Ende bleibt doch noch der Fehleranteil einer Taktperiode.

[0010] Eine mögliche Verbesserung kann die Schaltung nach Fig. 4 brin­gen. Anstatt des UND-Gatters dient eine stromzustandsgesteuerte bistabile Kippstufe, ein sogenanntes transparentes Stromlatch 9 als Schalter für den Takt. Danach folgen wieder Tiefpaß 5 und Schmitt-Trigger 6, um mögliche metastabile Schwingungen des Latches 9 auszusieben. Damit wird am Ende des Zeitintervalls auch der Zustand des Taktes ("0" oder "1") festgehalten und die Zeitauflösung der Messung etwa verdoppelt. Demgegenüber steht wieder der Nachteil, daß die nutzbare Taktfrequenz erheblich kleiner sein muß als die, die das Latch 9 schalten könnte.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es:
- das Ende des Zeitintervalls (und eventuell auch dessen Be­Beginn) so genau wie möglich zu erfassen,
- die theoretisch mögliche Taktfrequenz trotz der gebotenen Rücksicht auf das Ausschließen des Einflusses metastabiler Zustände voll ausnutzbar zu machen,
- nach dem Ende des Zeitintervalls ein Maß für die augenblick­liche Phasensituatuion des Taktes zu speichern und dabei nicht nur eine digitale ("0" oder "1"), sondern auch die analoge Komponente des Zeitintervalls in einer "0" oder "1" Periode zu erfassen.

[0012] Diese Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebene Er­findung gelöst.

[0013] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gemäß Patentan­spruch 1 sind in den Unteransprüchen und im nachfolgenden Ausführungsbeispiel beschrieben.

[0014] Eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt Fig. 5. Zur Ermittlung der genauen Grenzen des Zeitintervalls dient ein Komparator 8 mit Stromausgängen, die direkt dem Stromlatch 9 zugeführt werden. Weitere parallel reagierende Stromausgänge des Komparators sind vorgesehen, um eine analoge Feinauswertungsstufe 10 und einen Mischer 11 anzusteuern. Strom-Spannungs-Umsetzer 12, 13, 14 erzeugen für die logische Weiterverarbeitung notwendige Spannungspegel. Ein Takttreiber erzeugt die benötigen gegenphasigen Taktsignale.

[0015] Zur Lösung der gestellten Aufgaben werden die notwendigen Datenmanipulationen ohne den Umweg über Spannungspegel, deren Erzeugung wegen der immer vorhandenen Streukapazitäten wert­volle Zeit kostet, durchgeführt. Das Einfrieren des augenblick­lichen Taktzustandes erfolgt im Strombereich unter Zuhilfenahme minimaler Spannungspegel. Das Zeitmaß bis zur nächsten Takt­flanke entsteht als analoge Ladespannung mit einem stets exakt im gleichen Augenblick starten den Strom in einem Kondensator. Der Mischer überwacht die Übereinstimmung der Taktphasen an den Ausgängen des Stromlatch 9 bereits im Strombereich mit den Taktphasen am Eingang.

[0016] Nachdem die Anordnung vorwiegend zur Integration innerhalb einer integrierten Schaltung in Bipolar- oder auch MOS-Techno­logie vorgesehen ist, werden im folgenden ihre Schaltungsteile auf Transistorebene erläutert. In den Schaltungsbeispielen wer­den die bei Analogschaltungen üblicheren Bipolartransistoren verwendet. Sie erlauben aber jedem Fachmann eine einfache Um­setzung, beispielsweise in C-MOS. Wegen der besseren Übersicht ist außerdem die gesamte Anordnung in kleine Funktionsblöcke zerlegt, die zum Teil vereinfacht dargestellt sind. Es versteht sich von selbst, daß bei Strom-Spannungs-Übergängen zusätzliche Maßnahmen, z.B. zur Kompensation des Miller-Effektes, notwendig sein können.

[0017] Das Schaltungsprinzip des Komparators 8 ist in Fig. 6 darge­stellt. Er besteht aus einer konventionellen PNP-Transistor-­Differenzstufe T1, T2 mit dem Signaleingang "Event" und dem Referenzeingang "U_ref", dessen Ausgänge durch NPN-Mehrfach­stromspiegel belastet sind. Diese liefern wiederum die benötig­en Stromausgänge. Ein komplementäres Paar T5, T11 bildet zusam­men mit dem Stromspiegel T12, T13 einen Strom-Spannungs-Umset­zer und stellt ein Spannungsausgangssignal "KOMP" zur Ver­fügung. Ein weiteres Paar T4, T10 liefert die Ströme I_clock und I_latch zur Versorgung des Stromlatchs 9, ein Einzelausgang T3 versorgt die analoge Feinauswertung mit dem Strom I_ramp und ein weiteres Transistor-Paar T6, T9 bewirkt eine positive Rückkopp­lung, die im Umschaltbereich des Komparators 8 eine unendlich große Verstärkung (gerade ohne Hysterese) liefert und dafür sorgt, daß jeder Ausgangsstrom beim Umschalten sofort mit 50% seines Endwertes startet bzw. unterhalb 50% sofort abschaltet.

[0018] Die Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau des Strom­latch 9. Die Latchfunktion ist ähnlich wie die bei einer in dem Buch" Halbleiterschaltungstechnik" von Tietze und Schenk, 1989, Seite 776, gezeigten Schaltung mit komplementären Spannungsaus­gängen, allerdings mit als Dioden geschalteten Transistoren, die anstelle der Lastwiderstände, die in dem bekannten Beispiel die Spannungsausgänge formen, mehrere Stromausgänge ansteuern.

[0019] Der Takt liegt an den Eingängen einer ersten Transistor-Diffe­renzstufe T14 und T15 in Form der gegenphasigen Komponenten CL1 und CL2 und bewirkt, solange I_clock fließt und I_latch nicht, die Stromausgänge I_mix1 an T19 und I_mix2 an T20. Weitere, dem Takt folgende Stromausgänge der Transistoren T18 und T21 er­zeugen über die Strom-Spannungs-Umsetzung mit dem Stromspiegel aus den Transistoren T23 und T24 einen einphasigen Spannungs­ausgang, der z.B. direkt einen Frequenzteiler ansteuern kann. Das Latch ist also auf Durchgang (transparent) geschaltet. Kehren sich die Stromverhältnisse um (I_latch beginnt zu fließen und I_clock wird abgeschaltet), wird die zweite Transistor-Dif­ferenzstufe T16 und T17 aktiv, stellt die gerade (noch) vor­ handene Taktphasenlage durch Vergleich der minimalen Spannungs­differenz an den als Diode geschalteten Transistoren fest und verstärkt diese Tendenz durch die über ihre kreuzgekoppelten Ausgänge bewirkte positive Rückkopplung. Der augenblickliche Taktphasenzustand wird also "eingefroren", das Latch ist ge­schlossen.

[0020] Die Funktion des Stromlatchs erfolgt also im Strombereich und auch das Ergebnis sind zunächst fließende oder eingefrorene Ströme. Dabei treten nur sehr kleine Spannungsänderungen auf und extrem geringe Verzögerungen der logischen Operation durch parasitäre Kapazitäten. Für die logische weitere Verarbeitung beispielsweise in einem Frequenzteiler wird der dem Eingangs­takt entsprechende oder festgehaltene Stromzustand durch eine Strom-spannungs-Umsetzung auswertbar gemacht, wobei die tech­nisch bedingten Schaltverzögerungen wieder voll wirksam werden. Das ist kein Nachteil, weil die Datenmanipulation ja schon lan­ge zuvor er folgt ist. Ganz nebenbei und vorteilhaft wird damit die in Fig. 4 beschriebene Tiefpaßfunktion realisiert. Ein Schmitt-Trigger ist nicht nötig, weil die Flankensteilheiten bereits den in der gewählten Technik üblichen entsprechen.

[0021] Nun soll die Lösung der letzten gestellten Aufgabe der Erfin­dung, nämlich die Speicherung eines analogen Maßes für den augenblicklichen Zeitpunkt innerhalb einer Taktphase, erläutert werden. Beim Umschalten des Komparators startet auch der Strom I_ramp. Damit wird in der analogen Feinauswertung (Fig. 9), ge­steuert von den gegenphasigen Taktkomponenten, einer der Kon­densatoren C1 oder C2 aufgeladen. Beim nächsten Wechsel der Taktphasen springt der Ladestrom zum anderen Kondensator. Jetzt allerdings und unbedingt vor dem nächsten Wechsel der Taktpha­sen muß etwas geschehen, denn das Maß für die Phasensituation des Taktes steht im ersten Kondensator und würde nach einem weiteren Sprung des Ladestromes verfälscht werden.

[0022] Es gilt nun, ein eindeitiges Ansteuerungssignal für einen nicht weiter erklärten Schalter zu gewinnen, womit der Ladestrom total abschaltbar ist. Das Kriterium ist der erste Taktphasen­wechsel nach dem Einfrieren des Taktes im Latch, d.h. das Ab­weichen des im Latch manipulierten Taktes vom Originaltakt. Der erste Taktphasenwechsel wird mit Hilfe eines Mischers (Fig. 8) festgestellt, die Tatsache des Einfrierens ist dem Komparator 8 bekannt. Die UND-Verknüpfung der Signale KOMP und MIX liefert also obiges Kriterium.

[0023] Zur weiteren Klarstellung wird auf die Zeitdiagramme in Fig. 10 verwiesen. Die Auswertung der in dem ersten Kondensator (wel­cher es ist, zeigt die eingefrorene Taktphase) stehenden Span­nung bringt dann eine vielfache Steigerung der Auflösung der Zeitmeßeinrichtung. Die Verbesserung wird nur dadurch begrenzt, daß der Rampenstrom I_ramp nur mit 50% seines Endwertes startet. Damit wird die Rampe zu Beginn nichtlinear und diese Nichtline­arität ist eine Funktion der Steilheit des Intervallendesignals am Komparator. Somit sind auch die Kompensationsmöglichkeiten der Nichtlinearität begrenzt.

[0024] Die Auswertung der Kondensatorspannung erfolgt zweckmäßig durch Zurückintegration mit einem Konstantstrom und Messen der Zeit mit einer gleichartigen Anordnung und einem Frequenzteiler oder der gleichen Anordnung zusammen mit einem Multiplexer Die bisherigen Betrachtungen beziehen sich im wesentlichen auf das Feststellen des Endes eines Zeitintervalls. Mit ähnlichen Mitteln ist es auch möglich, bei nicht synchronem Start des Intervalls, die augenblickliche Phasensituation des Taktes am Beginn zu speichern und auszuwerten, wobei sich aber der Schaltungsaufwand verdoppeln kann.

Ansprüche

1. Anordnung zur genauen elektronischen Erfassung der Grenzen eines Zeitintervalls in bezug auf einen Referenztakt, wobei Beginn und Ende des Intervalls jeweils durch ein Ereignis be­stimm- bzw. meßbar sind, dadurch gekenn­zeichnet, daß sie zur Ermittlung der genauen Grenzen des Zeitintervalls einen Komparator (8) enthält, dessen Strom­ausgänge (I_clock und I_latch) direkt einem außerdem noch vom Referenztakt angesteuerten Stromlatch (9) zugeführt werden, dessen Funktion das Ergebnis fließender oder eingefrorener Ströme ist und bei dem das Durchlassen oder das Einfrieren des augenblicklichen Taktzustandes im Strombereich unter Zuhilfe­nahme minimaler Spannungspegel erfolgt, daß der Stromzustand durch einen Strom-Spannungs-Umsetzer (10) für einen angeschlos­senen Frequenzteiler (4) auswertbar gemacht wird, indem die verzögernd wirksam werdenden technisch bedingten Schaltverzöge­rungen zum Abklingen eventueller metastabiler Zustände genutzt werden, und daß der Komparator (8) einen weiteren Stromausgang (I_ramp) hat, der im Augenblick des Umschaltens des Komparators (8) beginnt Strom zu führen, und damit durch Ansteuerung einer analogen Feinauswertungsstufe (10) ein analoges Maß der Zeit bis zur nächsten Taktflanke erzeugt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Komparator (8) eine positive Rück­kopplung hat, die im Umschaltbereich des Komparators eine unendlich große Verstärkung (gerade ohne Hysterese) liefert und dafür sorgt, daß jeder Ausgangsstrom beim Umschalten sofort mit 50% seines Endwertes startet bzw. unterhalb 50% sofort ab­schaltet.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Feinauswer­tungsstufe (10) von Komponenten des Originaltaktes so gesteuert wird, daß einer von zwei Kondensatoren (C₁, C₂) aufgeladen wird und beim nächsten Wechsel der Taktphasen der Ladestrom zum je­weils anderen Kondensator springt.

4. Anordnung nach den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Stromlatch (9) weitere Stromausgänge hat, die dem manipulierten Stromzustand folgen.

5. Anordnung nach den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromausgang oder ein komplementäres Paar der Stromausgänge des Stromlatchs (9) einen Mischer (11) ansteuert, dessen anderer Eingang vom Originaltakt gesteuert wird, so daß am Ausgang des Mischers (11) dann ein Signal entsteht, wenn manipulierter und originaler Takt vonein­ander abweichen.

6. Anordnung nach den bisherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Mischers (11) auch in den Spannungsbereich umgesetzt wird und allein oder zusammen mit dem Ausgangssignal des Komparators (8) ein Signal an die logische Schaltungsumgebung der Anordnung abgibt und/oder den Rampenstrom unterbricht.

Zeichnung