DE2156143C3 - Verfahren und Einrichtung zur digitalen Speicherung einer Meßgröße - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patenta Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Das Problem, den Ablauf eines schnellen, einmaligen Vorganges quantitativ zu registrieren, wird bisher im allgemeinen durch die oszillographische Technik, insbesondere unter Verwendung von Elektronenstrahl-Oszillographen, gelöst. Zur permanenten Speicherung wird das den zeitlichen Verlauf des Vorganges darstellende Schirmbild photographiert. Es ist ferner bekannt, den Verlauf einer Meßgröße auf einem Magnetband oder einer Magnetplatte zu speichern, insbesondere wenn es sich um die Erfassung längerer Zeiträume handelt.

In jüngerer Zeit hat die digitale Speicherung des Verlaufes von Meßgrößen immer größere Bedeutung erlangt, da dies die Verarbeitung durch programmgesteuerte elektronische Datenverarbeitungsanlagen erleichtert. Die Meßgröße wird hierfür periodisch abgetastet und quantisiert, um eine Zahlenreihe zu erzeugen, in der jede Zahl dem Momentanwert der Meßgröße im betreffenden Abtastzeitpunkt entspricht. Die gewonnene Zahlenreihe läßt sich in Magnetkernspeichern, statischen oder dynamischen Registern aus bistabilen Elementen, akustischen Verzögerungsleitungen, Magnetbändern, Lochstreifen u. dgl. speichern.

Die Größe der Zeitintervalle, nach denen jeweils die Meßgröße abgetastet, codiert und in Form einer Zahl abgespeichert wird, muß bestimmten Bedingungen genügen, um später eine optimale Rekonstruktion des kontinuierlichen Verlaufes der analogen Meßgröße aus den abgespeicherten Zahlen zu ermöglichen. Insbesondere darf das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen den Reziprokwert der doppelten Kreisfrequenz des höchsten in der abgetasteten Meßgröße vorhandenen Frequenzanteils nicht übersteigen, siehe z. B. die Arbeit von H. Nyquist, »Certain Topics in Telegraph Transmission Theory«, AIEE Trans. 47,617(1928).

Eine durch Digitalisierung einer analogen Meßgröße erhaltene Zahlenreihe kann als »Nachricht« im Sinne der Informationstheorie angesehen werden und sie kann durch geeignete Codi y. ung ohne Verlust der in ihr enthaltenen Information in andere äauivalente Nachrichten übersetzt werden. Besitzt die ursprüngliche Nachricht eine endliche Redundanz (dies ist der Fall, wenn die in der Reihe vorkommenden Zahlen statistisch nicht vollkommen unabhängig voneinander sind), so ist eine umkehrbare Übersetzung in kürzere, weniger redundante Formen der Nachricht möglich, siehe z. B. die Veröffentlichung von C. Shannon, »A Mathematical Theory of Communication«, Bell Syst. Techn. Journal 27, 399 (1948). In Fällen, wo ein statistischer Zusammenhang zwischen den beim Abtasten einer Meßgröße auftretenden Quantisierungswerten bekannt ist, sind Verfahren bekannt, die eine entsprechende, als »Datenkompression« bekannte Reduktion der Redundanz erlauben (siehe z. B. K. Küpfmüüer, »Reduktion des scheinbaren Nachrichtenflusses«, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Herausgeber H. Meinke und F. W.Gundlach,3.Aufl,Berlin 1968).

Oft sind dynamische Vorgänge zu registrieren, bei denen in einer anfänglichen Zeilspanne verhältnismäßig rasche Änderungen der Meßgröße auf'reten, während in späteren Zeitspannen die Meßgröße nur noch verhältnismäßig langsam variiert Diese Aufgabe tritt z. B. sehr häufig bei der Messung der dynamischen Eigenschaften von physikalischen, chemischen oder technischen Systemen auf, z. B. bei der Untersuchung der Stabilitätseigenschaften von Regelmechanismen oder den sogenannten Temperatur- oder Drucksprungverfahren zur Untersuchung chemischer Reaktionsabläufe. Man läßt dabei in einem bestimmten Zeitpunkt f„ eine durch eine Impulsfunktion bekannten Betrages darstellbare Störung auf das zu untersuchende System einwirken. Die Antwort des Systems hierauf als Funktion der Zeit wird häufig die »Gewichtsfunktion« genannt. Aus dieser läßt sich bei einem linearen System die Antwort auf eine beliebige Form der Anregung berechnen und die direkte Messung solcher Gewichtsfunktionen erhält hierdurch eine besondere Bedeutung. Auch bei nichtlinearen Systemen liefert die impulsförmige Anregung besondere Vorteile wegen der leichteren Interpretierbarkeit der Antwortfunktionen, da man die Syste^funktion im allgemeinen in der Umgebung eines bestimmten stabilen Zustandes linearisieren und dann die Gewichtsfunktion in Abhängigkeit des jeweiligen Systemzustandes messen und interpretieren kann.

In sehr vielen Fällen ist die Gewichtsfunktion g(i) als eine Summe von Exponentialfunktionen mit reellen Exponenten darstellbar:

gU) = £ Λ,-e"·" "'·■' ΓύΓί > /„

gif) = 0 für / < /„

wobei für stabile Systeme die Exponenten B, sämtlich negativ sind.

Die Größen MB, = r, stellen die sogenannten Abklingzeiten des Systems dar. Es ist offensichtlich, daß die Terme mit großem Absolutbetrag von S, (kurze Abklingzeiten) nach verhältnismäßig kurzer Zeit verschwindend klein geworden sind, während Terme mit kleinem Absolutwert von B, erst nach längerer Zeit abgeklungen sind. Die Registrierung der ob::n angegebenen, für viele gedämpfte Systeme charakteristischen Gewichtsfunktion g(t) fällt also unter die obenerwähnte Problemstellung, da dies? Funktion sich zunächst relativ schnell, später jedoch nur mehr verhältnismäßig langsam ändert.

Die Meßerößen Mit), die bei Untersuchungen der

Gewiehtsfunktion von physikalischen, chemischen oder technischen Systemen zur Verfugung stehen, setzen sich im allgemeinen additiv aus einer Funktion g(i) der beschriebenen Art und einer nur durch ihre statistischen Eigenschaften definierten Rauschfunktion r(i) zusammen. Letztere entsteht aus den Fluktuationen, denen jedes physikalisch realisierbare System und jeder realisierbare Meßprozeß unterworfen ist. Die Mcßgrö Ue M(I) - g(t) + r(t) muß so erfaßt werden, daß aus ihr die Wertepaare A₁ und B₁ mit möglichst hoher Genauigkeit und mit der geringsten wahrscheinlichen Abweichung berechnet werden können.

Im allgemeinen ist der Augenblick /, bekannt, in dem das zu untersuchende System der impulsformigen Anregung unterworfen wird, und man kann ein geeignetes Synchronisierungssignal in einem mit dem Zeitpunkt U zusammenfallenden oder eine gewisse Zeitspanne vor oder nach diesem liegenden Zeitpunkt I₁, erzeugen. In einigen Fällen muß aber der Augenblick /. aus dem registrierten Signal selbst gewonnen werden. Es ist daher wünschenswert, die Registrierung der Meßgröße so einzurichten, daß die letzten Meßwerte vor der Anregung mit registriert werden, um eine genaue Ermittlung der Anfangsbedingungen im System und eine genaue Bestimmung des Augenblicks ?>. in dem die Störung einsetzt, zu ermöglichen.

Die oszillographische Registrierung solcher Funktionen, vor allem wenn si^ nur einmal oder nur verhältnismäßig selten ausgelöst werden können, macht Schwierigkeiten, da eine lineare Zeitachse für die oszillographische Erfassung sowohl der schnellen als der langsamen Vorgänge in einer Darstellung nicht gut geeignet ist. Spielen sich die schnellen Abklingvorgänge im Mikrosekunden-Bereich, die langsameren dagegen im Millisekunden-Bereich ab. so ist eine beide Vorgänge mit ausreichender Genauigkeit erfassende oszillographische Registrierung mit Hilfe einer einzigen zeitproportionalen Zeitbasis nicht mehr möglich. Die Verwendung einer nichtzeitproportionalen Zeitbasis (z. B. einer dem Logarithmum der Zeit porportionalen Zeitbasis) löst das Problem im allgemeinen nicht optimal, da zugunsten der schnellen Abklingvorgänge eine relativ none ÜDertragungsbanaorene aer Meu- una Anzeigeeinrichtung erforderlich ist. deren ungünstigere Rausch-Eigenschaften sich bei der Registrierung der langsameren Abklingvorgänge störend auswirken können. Eine nichtzeitproportionale Auslenkung führt außerdem zu unterschiedlicher Helligkeit des oszillographischen Schirmbildes, das aus diesem Grunde für die photographische Registrierung nicht immer geeignet ist.

Die digitale Registrierung von Abtastwerden beansprucht mit den z. Z. bekannten Vorrichtungen (z. B. Vielkanalanalysatoren mit Analog/Digital-Wandler) für die hier erwähnte Art von Abklingfunktionen eine sehr große Zahl von Speicherzellen, da der Abtastvorgang in konstanten Intervallen stattfinden muß. Erfordert der schnellste Abklingvorgang z. B. eine Abtastfrequenz von 5 MHz, hat aber der gesamte Vorgang eine Dauer von z. B. einer Sekunde, dann müßte eine Reihe von 5 Millionen Zahlen innerhalb dieser Zeit abgespeichert werden. Obwohl die Abspeicherung einer so großen Zahl von Einzelwerten unter Zuhilfenahme z. B. hochtouriger Magnettrommeln im Prinzip möglich wäre, ist eine digitale Speicherung sämtlicher abgetasteter Werte äußerst aufwendig. Man könnte die Anzahl der zu speichernden Werte zwar dadurch verringern, daß die Abtastfrequenz im Laufe des Meßvorganges laufend oder nach bestimmten Zeitintervallen in demselben Malic, wie die hohen Freqiienzanteile in der /ti registrierenden Meßgröße abnehmen, herabgesel/t wird. Dieses Verfahren führt nur dann zu keinem Informationsverlust, wenn auch die Frequenzanleilc der immer vorhandenen Rsuisch- und Störsignale immer kleiner bleiben als die halbe Abtasifrequen/. Es wäre dazu erforderlich, synchron mit der Umschaltung der Abtasifreqticnz eine Umschaltung von vorgeschalteten Tiefpaßfiltern vorzunehmen, um die jeweilige Bantlbrei-Ic des abgetasteten Signals der Abtastfrequcn/ anzupassen. Das Umschalten von üblichen, aus Energiespeichcrn und Dämpfungsgliedcrn zusammengesetzten Tiefpaßfiltern (z. B. RC-Kombinationen) ist im Hinblick auf deren Einschwingvcrhalten jedoch nicht zweckmäßig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur digitalen Speicherung einer Meßgröße anzugeben, bei dem eine Meßgröße, deren Änderungsgeschwindigkeit im Laufe der Zeit stark abnimmt, mit einem möglichst geringen Aufwand an Speicherplatz digital gespeichert werden soll, ohne die Nyquist-Bcdingungzu verletzen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs I gelöst.

Bei dieser Art der Speicherung ergibt sich eine fortlaufende Verfeinerung der Quantisierungsstufen. Selbst bei einer schnellen Abtastung und Quantisierung der ursprünglich erzeugten Abtastwerte in groben Stufen können spätere Zeitabschnitte einer abklingenden Funktion mit großer Auflösung und erheblicher Reduktion des Anteils an stochastischen Störungen erfaßt werden.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung und Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Mg. ta bis ld graphische Darstellungen iu\ Ei läuterung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung und

F i g. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Das vorliegende Verfahren läßt sich zur c*^:2italen Speicherung des Verlaufes einer beliebigen Meßgröße verwenden, die als Folge von Digitalwerten (Zahlen) darstellbar ist Die Meßgröße kann also eine Temperatur, Frequenz usw. sein. Für die folgenden Erläuterungen sei angenommen, daß die Meßgröße als Analogsignal vorliegt, dessen Amplitude sich als Funktion der Zeit ändert und dessen Amplitudenverlauf digital gespeichert werden soll.

Aus dem die Meßgröße darstellenden kontinuierlich verlaufenden Signal A (Fig. la) werden mittels eines Analog/Digital-Umwandlers in regelmäßigen Intervallen Zahlen erzeugt, die dem jeweiligen Augenblickswert der Amplitude des Signals, also der Meßgröße, oder einem von dieser nach Abzug eines konstanten oder veränderlichen Mittelwertes verbleibenden Rest proportional sind. Diese Zahlen sollen im folgenden als »Abtastwerte« bezeichnet werden und sind in Fig. Ib

ills senkrechte Striche dargestellt, deren Lunge jeweils dem betreffenden Momentanwert des Signals entsprechen. Ου clic Abtastwerte gan//;ihlig sind, ist jeder Strich in Pig. '.b ein ganzzahliges Vielfaches eines l.angcnelenients.diis bi i diesem Beispiel I min groß ist.

Die vom Umwandler erzeugten Zahlen werden nun gruppenweise addiert, so daß /.wischensummen aus eine" jeweils bestimmten Anzahl von aufeinanderfolgenden Abtastwerten entstehen. Bei dieser gruppenweisen Addition der digitalen Abtastwerte werden i<> vorzugsweise keine Abrundungen vorgenommen, so daß die Zwischensummen im allgemeinen eine größere Stellenzahl haben werden als die einzelnen Abtastwerte. In Pig. Ic ist die Länge jedes Striches der Summe der Langen der letzten fünf aufeinanderfolgenden Striche ι, porportional. Die Längeneinheit ist hier jedoch 0,2 mm, um Fig. Ib und Ic besser vergleichen zu können. Die senkrechten Striche in Pig. lc können also praktisch als

hen weiden; hierauf wird weiter unten noch näher jii eingegangen.

Die Speicherung der Abtastwerte und der aus diesen gebildeten Zwischensummen wird durch ein mit dem die Meßwertänderung auslösenden Ereignis in zeitlichem Zusammenhang stehendes Synchronisierungssignal ge- _>-, steuert. Vorzugsweise wird schon vor dem Auftreten des Synchronisierungssignals laufend eine bestimmte Anzahl der jeweils zuletzt erzeugten Abtastwerte gespeichert, was durch eine zyklische Speicherung der anfallenden Abtastwerte geschehen kann, bei der der j₍> jewi Is neueste Abtastwert den am weitesten zeitlich zurückliegenden Abtastwert im Speicher ersetzt. Im Speicher befindet sich dann immer eine Anzahl der zuletzt erzeugten Abtastwerte. Nach dem Eintreffen des Synchronisierungssignals im Zeitpunkt ίο wird nur noch r> eine beschränkte Anzahl von Abtastwerten und Reihen von Zwischensummen nach einem vorher festgelegten Schema gespeichert. Dabei kann die Anzahl der Abtastwerte, aus denen sich die Zwischensummen jeweils zusammensetzen, entsprechend der zu erfassenden Zeitspanne, ein oder mehrmals von Zwischensummenreihe zu Zwischensummenreihe erhöht werden.

In Fig. Id ist beispielsweise der Anfang der gespeicherten Zahlenfolge graphisch dargestellt, wobei angenommen wurde, daß nach dem Auftreten des 4-, Synchronisierungssignals im Zeitpunkt ίο zuerst noch 50 Abtastwerte und dann nur noch eine Reihe von aufeinanderfolgenden Zwischensummen aus jeweils 5 Abtastwerten gespeichert worden sind. Die Maßstäbe sind dabei wie in F i g. 1 b bzw. F i g. 1 c gewählt.

Folgendes Beispiel erläutert die Anwendung des Verfahrens: Es sei angenommen, daß der zeitliche Verlauf einer elektrischen Spannung zu registrieren sei, bei der im Anschluß an eine momentane Störung exponentiell Abklingvorgänge von etwa gleicher Amplitude mit charakteristischen Abklingzeiten von 10 Mikrosekunden, einer Millisekunde und einer Zehntelsekunde erwartet werden. Die zu erwartenden Amplituden sollen in der Größenordnung von 1 Volt liegen, außerdem soll auf der zu registrierenden Spannung nach Durchlaufen eines Tiefpaßfilters mit 1 MHz Grenzfrequenz noch ein Rauschanteil von 10mV_eff vorhanden sein.

Als Quantisierer wird ein Analog/Digital-Umwandler benutzt, der alle 0,1 Mikrosekunden eine siebenstellige Binärzahl für den Spannungsbereich 0 bis 1 Volt erzeugt Die Genauigkeit der Abtastwerte wird somit durch zwei Ursachen begrenzt: erstens den Rauschanleil. der jeden Augenblickswcri der Meßspannung mit einer Unsicherheil von etwa ± 14 mV behaftet und zweitens durch den Quantisierungsfehler, der jeden Abtastwert auf ein Vielfaches von '/12a Volt (etwa 7.8 mV) abrundet. Die Genauigkeit der Abtastwerte wird somit in erster Linie durch das vorhandene Rauschen und weniger durch die Quantisierung begrenzt. Die beiden letzten Binärstellen eines jeden Abtastwertes sind unsicher, ihre Erwartungswerte können jedoch aus einem für den betreffenden Zeitpunkt gültigen Mittelwert der Meßgröße berechnet werden. Entsprechend dem oben angegebenen Verfahren sollen etwa die letzten 1000 Abtastwerte, die vor dem Eintreten der Störung erzeugt werden, gespeichert werden. Vor dem Eintreffen des Synchronisierun£">signals werden also die Abtastwerte, die den Wert der Meßspannung in einem jeweils mehr als 100 Mikrosekunden zurückliegenden Intervall darstellen, laufend

Ullivilllk,ui.l(. MWia LI3LI/.1.

Ein im wesentlichen gleichzeitig mit der Störung des Meßwertes auftretendes Synchronisierungssignal soll bewirken, daß die bei seinem Eintreffen vorhandenen, zuletzt gespeicherten 1000 Abtastwerte nicht mehr gelöscht werden. Es soll außerdem bewirken, daß die nächsten 1000 aufeinanderfolgenden neuen Abtastwerte gespeichert werden. Dann sollen 1000 aus jeweils 10 Abtastwerten gebildete Zwischensummen gespeichert werden, anschließend 1000 aus jeweils 100 Abtastwerten gebildete Zwischensummen, 1000 aus jeweils 1000 Abtastwerten gebildete Zwischensummen, 1000 aus jeweils 10 000 Abtastwerten gebildete Zwischensummen usw. Je nach der Zeitdauer der zu registrierenden Signaländerungen kann die Speicherung der Zwischensummen mit einer schrittweise größer werdenden Anzahl von Abtastwerten weiter fortgesetzt werden. Es sei hier jedoch angenommen, daß der Speichervorgang nach der Speicherung der bisher erwähnten 6000 Zahlen abgebrochen wird. Diese 6000 Zahlen geben dann den Verlauf der Meßgröße von einem Zeitpunkt, der 100 Mikrosekunden vor der Störung liegt, bis zu einem Zeitpunkt etwa 1 Sekunde nach der Störung mit zunehmender Stellenzahl der Darstellune wieder. Zur Erzeugung dieser 6000 Zahlen wird die Meßgröße über lOmillionenmal abgetastet. Die vor dem Eintreffen des Synchronisiersignals erzeugten und permanent gespeicherten 1000 Abtastwerte gestatten es, den Anfangswert der Meßgröße und den Zeitpunkt U des Auftretens der Störung genau zu bestimmen. Auch wenn das Synchronisierungssignal einige Mikrosekunden nach der Störung eintreffen sollte, wird der volle Zeitverlauf der Antwort des Systems auf die Störung im Speicher gespeichert. Der Anfangswert der Meßgröße läßt sich aus den 1000 Abtastwerten, die vor dem Auftreten der Störung gespeichert wurden, mit wesentlich höherer Genauigkeit errechnen als es den Quantisierungsstufen des Umwandlers entspricht.

Entsprechendes gilt auch für die gespeicherten Zwischensummen. Sie entsprechen einer Mittelung der Abtastwerte über immer größere Intervalle und stellen mit der Zahl der jeweils summierten Abtastwerte multiplizierte, nicht abgerundete Mittelwerte der Meßgröße dar. Zum Beispiel stellt jede der letzten 1000 gespeicherten Zahlen den Mittelwert von jeweils 10 000 Abtastwerten dar, die jeweils mit einer Unsicherheit von ± 14 mV behaftet waren. Da diese Unsicherheit eine Gauß-Verteilung hat, beträgt die Unsicherheit der Summenwerte wegen der Mittelwertsbildung nur noch ±0,14 mV.

In I·' i g. 2 isl ein erstes Heispiel einer mit an sich bekannten Elementen aufgebauten Einrichtung /ur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt.

Die Meßgröße M wird einem Quantisierer I, z. B. einem Analog/Digital-Umwandler zugeführt, der bei jedem von einem Urimpulsgeber 2 erzeugten Taktimpuls (T) einen quantisicrtcn Abtast wert Qm Form einer Zahl erzeugt. D'c Abtastwerte werden im Takt der Taktinipulse 7"in einem Addierwerk 3 zu einer in einem Akkumulator 4 enthaltenen Zahl Y addiert. Die vom Addierwerk 3 gebildete Summe ,V wird je nach Stellung einer Umschaltwciehe 5 (die einem einpoligen Umschalter entspricht) entweder einem Speicher 6 zur endgültigen Speicherung oder aber dem Akkumulator 4 als neue Teilsumme Y zugeführt. Hei Speicherung der Summe X im Speicher 6 wird der Akkumulator 4 durch ein l.öschsignal Zauf Null zurückgestellt.

Nach jedem Speieherzyklus wird ein Speieheradressenzähler 7 inkrementiert. Ob ein Speicherzyklus und eine Rückstellung des Akkumulators 4 stattfinden oder die neue Teilsumme X im Akkumulator 4 gespeichert %vird, hängt von einem Steuersignal S₁ ab, das in einem Decodierer 8 erzeugt wird und über eine Torschaltung 9 das vom Urimpulsgeber 2 erzeugte Taktsignal ^freigibt oder nicht. Ein freigegebener Taktimpuls bewirkt das Auslösen eines Speicherzyklus, Umschalten der Weiche 5 in die in Fig. 2 dargestellte Stellung. Löschen des Akkumulators 4 und Inkrcmentieren des Speicheradressenzählers 7.

Das Steuersignal Si wird vom Decodierer 8 nur dann erzeugt, wenn in einem Zählregister 10 bestimmte, festgelegte Ziffernkombinationen Z. Z_>. ... Z_n nicht vorhanden sind. Im Zählregister 10 werden die Taktimpulse T des Urimpulsgebers 2 während eines Intervalls gezählt, dessen Anfang durch das Auftreten eines von außen zugeführten Synchronisierungsimpulses SVTVCeingeleitet und dessen Ende vom Decodierer 8 bei einem bestimmten Zählregisterendstand ermittelt wird. Dem Zähleingang des Zählregisters 10 werden die Taktimpulse T des Urimpulsgebers 2 durch ein UND-Glied 11 nur während dieses Intervalls zugeführt.

Dcia UND-Gncu ii wciü uuti:ii cm cinspi cuiieiiucs

Signal 5: vom Decodierer 8 und ein Signal Sj von einem durch den Synchronisierimpuls SYNC umgeschalteten Status-Flipflop 12 gesteuert. Das Status-Flipflop 12 liefert das Steuersignal Sj erst nachdem es durch den Synchronisierimpuls 12 umgeschaltet worden ist. Durch von außen zugeführte Rückstellsignale R kann die Einrichtung, insbesondere das Status-Flipflop 12, das Speicheradressenregister 7 und das Zählregister 10, nach Beendigung einer Meßreihe auf einen vorgegebenen Anfangszustand zurückgestellt werden.

Der Registriervorgang verläuft an der Steuerung durch die Steuersignale Si, Sj und S3 in folgender Weise:

Vor dem Eintreffen des Synchronisierungsimpulses

v(R- = 9)! a IR- ψ W-S₁.

Das Steuersignal S₂ wird unterbrochen, sobald Ri = 1 ist. Die Anfangszahl Z_a im Zählregister ist die Zahl 99999000. Wenn das Speicheradressenregister die maximale Zahl N = 5999 darstellen kann und dann überläuft, bleibt es nach einem vollständig durchlaufe- SYNC steht iliis Zählregister IO auf einer bei der Rückstellung vorgegebenen Anfangs/ahl 7..,. Das Steuersignal Si ist nicht vorhanden und die Taktimpulse T erreichen das Zählregister 10 daher nicht. Da die Anfangszahl Z, nicht mit einer der Ziffernkombinationen Z]. /..../,„ übereinstimmt, die den Decodierer 8 dazu veranlassen, das Steuersignal .S'i zu unterbrechen, werden die Taktimpulse T von der Torschaltung 9 dauernd durchgelassen. Die im Takt der Taktimpulse T vom Addierwerk 3 erzeugten Zahlen X werden alle im Speicher 6 gespeichert. Der Akkumulator 4 steht noch auf Null bzw. wird immer wieder gelöscht und die von ihm an das Addierwerk 3 gelieferte Summe Z ist daher immer Null. Die vom Quantisierer I gelieferten Abtastwertc durchlaufen das Addierwerk 3 also ohne Änderung und werden nacheinander im Speicher 6 bei aufeinanderfolgenden Adressen abgelegt. Da das .Speicheradressenregister 7 nur eine begrenzte Stellenzahl hat. beginnt die Adressenfolge nach einem Durchlauf wieder von vorne, so daß die neu anfallenden Abtastwerte dann die vorher auf den entsprechenden Adressen gespeicherten Zahlen ersetzen. Der Speicher enthält dann immer die letzten N ermittelten Abtastwerte, wobei /Vdie Anzahl der durch das Speicheradressenregister darstellbaren Adressen ist. Der Speicher kann also als eine zyklische Anordnung von Speicherzellen N betrachtet werden, wobei die nullte und die (N + l)-te Speicherzelle, die erste und (N + 2)-te Speicherzelle usw. identisch sind.

Bei Eintreffen des Synchronisierungsimpulses SYNC wird das Status-Flipflop 12 umgeschaltet. Die Taktimpulse werden von nun an beginnend mit der zu Anfang im Zählregister enthaltenen Zahl Z, gezählt. Zi sei die kleinste über Zi liegende Zahl, die im Decodierer eine Unterbrechung des Steuersignals Si bewirkt. Dann werden nach Eintreffen des Synchronisierungssignals nur noch (Z-Z.) aufeinanderfolgende Abtastwerte im Speicher abgelegt und der nächstfolgende Abtastwert wird durch die in die gestrichelt gezeichnete Stellung umgeschaltete Weiche 5 in den Akkumulator 4 und nicht mehr in den Speicher 6 geleitet. Der weitere Ablauf wird aiso offensichtlich vollkommen durch die festgelegte

DcLuuiciung üei aufcinaiiüci folgenden Znliicii ucs

Zählregisters bestimmt. Wie eine solche Decodierung durchzuführen ist, um eine Speicherfolge der oben geschilderten Art zu erhalten, ist bekannt. Die folgende Decodiervorschrift führt z. B. zur Bildung von Reihen von Zwischensummen, wie sie in dem vorher beschriebenen Anwendungsbeispiel des Verfahrens verlangt wurden. Es ist dabei angenommen, daß das Zählregister 10 ein achtstelliges dekadisches Register ist, dessen Stellen mit /?;, Rt,, Ri usw. R_n nach abnehmendem Stellenwert bezeichnet werden soll. Der Decodierer erzeugt das Steuersignal Si (speichern), wenn folgende Zahlenkombinationen vorhanden sind:

nen Registriervorgang auf der Aui esse des ersten gespeicherten Abtastwertes stehen.

Ein weiteres Beispiel einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in F i g. 3 dargestellt.

Il

Der Quantisicrer 21 erzeugt aus (!er Meßgröße Λ-Zdie Abtastwerte <?mit einer durch eine Impulsfolge 7Ji eines Taktgebers 22 festgelegten Frequenz. Die Abtastwerke • > werden in einem Summierwerk 23 addiert. Die vom Taktgeber gelieferte Taktimpulsfolge 7» wird durch einen Frequenzteiler 24 untersetzt, der nach jeweils lh Taktimpulsen 7ΐ> einen Steuerimpuls 7Ί erzeugt. Dieser Steuerimpuls T\ bewirkt, daß die inzwischen im Summierwerk 23 gebildete Zwischensumme herausgelesen und einem zweiten Summierwerk 25 zugeführt wird. Gleichzeitig wird das Summenregister des ersten Summierwerks 23 durch den Steuerimpuls 7Ί gelöscht, so daß dort eine neue Zwischensumme aus U₁ Abtastwerten gebildet werden kann. Die Steuerimpulsfolge 7~i wird in tmem zweiten Frequenzteiler 26 weiter untersetzt. Der Teiler 26 liefert eine Impulsfolge 7V Zwischen zwei .Ulfeinanderfolgenden Impulsen 7".· liegen n? impulse der Folge 7Ί und n,n> Impulse der Folge T] und πιΠ: Impulse der Folge 7i>. Im zweiten Summierwerk ?5 werden jetzt Zwischensummen aus jeweils ni/i> Al.'.astwerten gebildet. Wenn eir.e solche Zwischensumme akkumuliert ist. wird sie durch einen Taktimpuls 7> herausgelesen und wird das Summenregister des zweiten Summierwerks 25 zurückgestellt. Weitere Frequenzteiler und Summierwerke können folgen. Die erzeugten Abtastwerte und die jeweils gebildeten Zwischensummen werden vor dem Eintreffen des Synchronisierungssignais in zyklischen Speichern 27, 28 bzw. 29, die z. B. aus Schieberegistern bestehen können, gespeichert, so daß diese Speicher immer eine Anzahl der letzten Abtastwerte bzw. Zwischensummen enthalten. Nach dem Eintreffen des Synchronisierungssignais SYNC und die dadurch bewirkte Umschaltung des Status-Flipflops 30 werden in jedem der zyklischen Speicher nur noch eine begrenzte Anzahl der bisher gespeicherten Werte durch neue Werte ersetzt. Dies kann z. B. durch Zähler 31, 32 und 33 bewirkt werden, die erst nach Umschalten des Status-Flipflops 30 durch das Synchronisierungssignal die jeweils gespeicherten Zahlen zählen und nach Erreichen eines bestimmten Zählwerts oder ihres Fassungsvermögens die Speicherung weiterer Zahlen verhindern. Die Zahieingange äer Zahler Jl, S2 und JJ sind hierfür über Torschaltungen (UND-Glieder) 34, 35 bzw. 36, die durch das bei umgeschaltetem Status-Flipflop auftretende Ausgangssignal Sgeöffnet werden, mit den Leitungen für die entsprechenden Taktimpulse 7J,. T\ bzw. 7j verbunden.

Auf die zunehmende maximal erreichbare Stellenzahl der zu speichernden Zahlenwerte kann bereits bei der Speicherung Rücksicht genommen werden; z. B. können den zu verschiedenen Zeitspannen gespeicherten Zahlenreihen entweder verschiedene Speicherplätze oder Speicherblöcke mit zunehmendem Stellenfassungsvermögen (Wortlänge) zugeordnet werden oder es können gleichlange, der maximal möglichen Stellenzahl angepaßte Speicherplätze verwendet werden, in denen die zu speichernden. Zahlen nach einem bestimmten maßstabskorrigierenden Verfahren cder auch ohne Rücksicht auf ihren zunehmenden maximal möglichen Stellenwert abgelegt werden können, da dieser Maximalwert und die Berücksichtigung einer eventuell erforderlichen Maßstabskorrektur bzw. Mittelwertbildung später immer aus der Ordnungszahl des Speicherplatzes relativ zu einem Anfangsplatz errech-

net werden kann.

Die Maßstabskorrektur bzw. Mittelwertbildung kann insbesondere dann leicht erfolgen, wenn die Zahl der in die Zwischensummen eingehenden Abtastwerte eine ganzzahüge Potenz der Basis des benutzten Zahlensystems ist. Diese Korrektur kann bereits beim Ablegen der Zahlen oder auch beim Auslesen zu einer bildlichen Darstellung oder zu Auswertungszwecken vorgenommen werden.

a" sei die Zahl der darstellbaren Quantisierungsstufen eines Abtastwertes; a'\ ·)', a'... seien die zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Zeitspannen jeweils in Reihen von Zwischensummen aufsummierten Zahlen von Abtastwerten (wobei a>\ ;i'i und <r gan/zahligc Po'enzen der Basis ;) sind). Die maximal erforderlichen Stellenzahlen (Wortlängen) sintl dann η. η + />. η + q η + π... Es ist leicht einzusehen, daß die Einfügung eines Festpunktkommas nach den η meistbedcutenden Stellen der ieweils verfügbaren Wortlängen und das eventuelle Auffüllen mit Nullen zum erwünschten Ziel führt. Wird eine Einrichtung nach F i g. 2 zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung benutzt, so ist nicht vorher fesllegbar, welcher Bereich des Speichers 6 mit Abtastwerten und welche Bereiche mit Zwischensummen verschiedener Art belegt werden, jeder Speicherplatz muß im Prinzip in der Lage sein, die höchste darstellbare Zwischensumme aufzunehmen.

Die Darstellung der maßstabskorrigierten bzw. Mittelwerte-Zahlen in dem genannten Festkommaformat wird erreicht durch die Einfügung eines Pufferspeichers, in dem eine Stellenverschiebung der zu speichernden Zahl vor dem Ablegen oder nach dem Auslesen aus dem Speicher vorgenommen werden kann.

Eine Gleitkomma-Darstellung ist ebenfalls möglich, indem der für jede zu speichernde Zahl verfügbare Speicherplatz neben der nichtstellenverschobenen Zahl auch eine der Zahl der Abtastwerte, die in den gespeicherten Zahlenwert eingegangen sind, entsprechende Zahl, z. B. die Potenzwerte p, q. r. an dafür besonders vorgesehener Stelle enthält.

Bei der Einrichtung nach F i g. 3 ist die Zuordnung der einzelnen Speicherplätze und die Lage ihres Festkommas zu den zu speichernden Zahlenreihen eindeutig

Es ist oft erwünscht, die registrierten Werte bii^üch darzustellen, um das Ergebnis der registrierten Messung in übersichtlicher Form zur Verfugung zu haben und leicht nachprüfen zu können. Dies kann auf folgende Weise oszillographisch erfolgen:

Nachdem alle zu erfassenden Zahlenwerte gespeichert sind, werden die gespeicherten Zahlenwerte oder eine bestimmte Gruppe dieser Zahlenwerte aus dem Speicher abgerufen, ohne den Inhalt der abgefragten Speicherzellen zu löschen. Die abgefragten Zahlenwerte werden mit einem Digital/Analog-Umwandler in eine elektrische Spannung umgewandelt, die den jeweils abgerufenen Zahlenwert proportional ist und die y-Ablenkung des Elektronenstrahles einer Kathodenstrahlröhre bewirkt. Außerdem wird eine der jeweiligen Ordnungszahl des abgerufenen Zahlenwertes proportionale elektrische Spannung gewonnen und für die ^-Ablenkung des Kathodenstrahls benutzt. Die Folge wird zyklisch durchlaufen, wobei auf dem Oszillographenschirm sine dem Verlaufe des abgefragten Teiles des Signals entsprechende Kurve erscheint.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur digitalen Speicherung einer Meßgröße, die sich während einer relativ kurzen ersten Zeitspanne verhältnismäßig schnell und während einer anschließenden zweiten Zeitspanne verhältnismäßig langsam ändert, bei welchem Digitalwerte entsprechend Momentanwerten der Meßgröße mit einer der schnellen Änderung angepaßten Frequenz erzeugt und mindestens ein Teil der Digitalwerte gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalwerte selbst nur während der ersten Zeitspanne gespeichert werden und daß während der zweiten Zeitspanne Summen aus jeweils einer vorgegebenen Anzahl aufeinanderfolgender Digitalwerte gespeichert werden.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der in eine Summe eingehenden Oigitalwerte jeweils nach Speicherung einer vorgegebenen Anzahl von Summenwerten erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vor Beginn der ersten Zeitspanne anfallenden Digitalwerte laufend der Reihe nach in N zyklisch aufeinanderfolgenden Speicherplätzen eines Speichers gespeichert werden, wobei etwaige früher gespeicherte Werte laufend durch neue Werte ersetzt werden und daß von einem Zeitpunkt an, der wenigstens annähernd mit dem Beginn der ersten Zeitspanne zusammenfällt, nur noch eine Anzahl N von Digital- und Summenwerten gespeichei t wird, die kleiner als N ist.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Digitalstufe zum Erzeugen der Digitalwerte mit einer ersten Taktfrequenz und einem Speicher, der eine Anzahl N von Speicherplätzen, die jeweils einen Digitalwert bzw. ein vorgegebenes Vielfaches eines Digitalwertes zu speichern vermögen, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalwerte (Q) von der Digitalstufe (t) einem Eingang eines digitalen Addierwerks (3) zugeführt sind, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines Registers (4) verbunden ist; daß der Ausgang des Addierwerks (3) mit dem Eingang einer zwei Ausgänge aufweisenden Umschaltvorrichtung (5) verbunden ist, deren einer Ausgang mit dem Eingang des Registers (4) und dessen zweiter Ausgang mit dem Speicher (6) verbunden sind; und daß die Umschaltvorrichtung (5) durch ein Steuersignal vom einen Ausgang auf den anderen umschaltbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung von Summensignalen (X) durch das Addierwerk (3) von einem mit der Erzeugung der Digitalwerte synchronisiertes Taktsignal (T) gesteuert ist; daß das Taktsignal (T) außerdem über eine Torschaltung (9) einem zyklisch arbeitenden Speicheradressenzähler (7) zugeführt 1st, der die Adressen der Speicherplätze für die dem Speicher (6) nacheinander zugeführten Digitalwerte bestimmt; daß der Steuereingang der Torschaltung (9) mit einem durch ein Zählregister (10) gesteuerten Decodierer (8) verbunden ist, der die Torschaltung (9) sperrt, wenn das Zählregister (10) eine von mehreren vorgegebenen Zahlen (Zi, Zi..) speichert; daß der Zähleingang des Zählregisters (10) mit

dem Ausgang eines Verknüpfungsgliedes (11) verbunden ist, das einen mit dem Taktsignal (T) gespeisten Eingang, einen mit dem Ausgang einer bistabilen Stufe (12) gespeisten Eingang und einen mit dem Decodierer (8) verbundenen Eingang, an dem dar Decodierer ein Signal (Si) erzeugt, bis die im Zählregister (10) gespeicherte Zahl einen vorgegebenen Wert erreicht hat, aufweist; daß die bistabile Stufe durch ein Signal umschaltbar i.J, das zu einem Zeitpunkt auftritt, der wenigstens annähernd mit dem Beginn der ersten Zeitspanne zusammenfällt, wobei die bistabile Stufe dann im umgeschalteten Zustand ein Signal (S_s) an das Verknüpfungsglied (11) liefert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Torschaltung (9) mit einem Steuereingang der Umschaltvorrichtung (5) verbunden ist, die beim Eintreffen eines Takfimpulses am Steuereingang den Ausgang des Addierwerkes (3) mit dem Eingang des Speichers (6) verbindet und daß jeder von der Torschaltung (9) durchgelassene Taktimpuls (T) außerdem eine Speicherung des Ausgangssignals (X) des Addierwerkes, ein Löschen des mit diesem verbundenen Registers (4) und ein Weiterschalten des Speicheradressenzählers (7) bewirkt.

7. Einrichtung ζ<.τ Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Digitalstufe (21), die die Digitalwerte synchron mit einem von einem Taktgeber erzeugten ersten Steuersignal Hefen, und mit einer digitalen Speicheranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der die Digitalwerte (Q) liefernde Ausgang der Digitalstufe (21) mit einem Eingang eines Summierwerkes (23) und einem Eingang eines durch das Steuersignal gesteuerten ersten Speichers (27) verbunden ist; daß das Steuersignal einem Frequenzteiler (24) zugeführt ist, der ein zweites Steuersignal (T]) liefert, das eine kleinere Frequenz als das erste Stpuersigna! hat und einen mit dem Ausgang des Summierwerkes verbundenen zweiten Speicher (28) steuert, und daß eine Speichersteueranordnung (30 bis 35) vorgesehen ist, die bestimmt, welche der den jeweiligen Speichern zugeführten Digitalwerte gespeichert werden.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichersteueranordnung eine bistabile Stufe (30) enthält, die nach Eintreffen eines Synchronisierungsiignals, welches bei oder in der Nähe des Beginns der ersten Zeitspanne auftritt, ein weiteres Steuersignal (S) erzeugt, das die Anzahl der von seinem Auftreten an in den jeweiligen Speichern (27,28) gespeicherten Digitalwerte auf vorgegebene Beträge begrenzt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Speicher (27, 28) mit einem Zähler (31,32) verbunden ist, der bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes das weitere Speichern von Digitalwerten im Speicher verhindert, und daß der Zähleingang jedes Zählers (31,32) mit dem Ausgang einer Verschaltung (.14, 35) verbunden ist, deren einem Eingang das weitere Steuersignal (S) und deren anderem Eingang das betreffende Takt-Steuersignal (T_n bzw. Γι)zugeführt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 7,8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Stufe, die das Summierwerk (23), den Frequenzteiler (24) und den zweiten Speicher (28) enthält, mindestens noch eine weitere

entsprechend geschaltete Stufe mit einem weiteren Summierwerk (25), einem weiteren Frequenzteiler (26) und einem weiteren Speicher (29) folgen.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum aufein- -> anderfolgenden Abfragen a'ler gespeicherten Digitalwerte oder eines vorgegebenen Teiles der gespeicherten Digitalwertc, einen Digital/Analog-Umsetzer, der für jeden abgefragten Digitalwert eine proportionale elektrische Spannung liefert, eine in Schaltungsanordnung, die eine der jeweiligen Ordnungszahl der abgefragten Digitalwerte in der Folge der abgefragten Digitalwerte proportionale elektrische Spannung liefert, und durch eine Registrier- oder Anzeigevorrichtung, deren eine π Koordinate durch das Auigangssignal des Digital/ Analog-Wandlers und dessen andere Koordinate durch die der Ordnungszahl proportionale Spannung gesteuert sind.