DE2950583A1

DE2950583A1 - Kombinierter spannungs- und frequenzmesser

Info

Publication number: DE2950583A1
Application number: DE19792950583
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. 6101 Groß-Bieberau Hilberg; Manfred Dipl.-Ing. 6100 Darmstadt Lobjinski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-12-15
Filing date: 1979-12-15
Publication date: 1981-06-19

Description

"Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser"
Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser Beschreibung Es wird ein Gerät beschrieben mit dem die Größen Spannung und Frequenz digital gemessen werden können und das aus wenigen Bauelementen aufgebaut ist. Als zentrales Element wird ein Einchip-Mikrocomputer verwendet, wodurch ein einfacher, störungsarmer und damit preiswerter Aufbau möglich ist. Die Besonderheit des neuen kombinierten Spannungs- und Frequenzmessers beruht zu einem Teil darauf, daß die komplizierteren Funktionen in ein hochintegriertes Bauteil, nämlich in einen Mikrocomputer verlegt werden. Es wird außerdem eine besondere Konfiguration vorgeschlagen bei der sich durch Umlegen eines Doppelschalters die Grundschaltung für die Frequenzmessung in eine Grundschaltung für die Spannungsmessung umwandeln läßt. Dies wird dadurch ermöglicht, daß alle komplizierten Operationen vom Mikroprozessor durchgeführt werden. Betrachten wir zunächst die Messung einer Spannung: In seiner Funktion als Spannungsmesser, bei der im Bild 1 der Doppelschalter S mit seinen zwei Schaltern Sl und S2 in Stellung a ist, arbeitet das neue Gerät im Prinzip nach dem Charge-Balancing-Verfahren, das z.B. in /1/ beschrieben ist. Durch den Einsatz des Mikrocomputers wird der Analogteil der Schaltung in Bild 1 sehr viel einfacher als der in /1/ beschriebene. Er enthält jetzt nur noch einen Operationsverstärker, sowie wenige Widerstände und Kapazitäten. In dem gezeigten Beispiel wird über den Widerstand R1 = 10 MQ die zu messende Spannung U1 dem Minus-Eingang des als Integrator geschalteten Operationsverstärkers zugeführt. Dem Ausgang P2 des in n-Kanal Technik ausgeführten Mikrocomputers wird ein C-MOS Inverter nachgeschaltet. Dieser wirkt als geschaltete Spannungsquelle mit Spannungen von O V oder 5 V. Sie ist wie in Bild 1 dargestellt über den Widerstand R2 = 10 MS ebenfalls mit dem Integratoreingang verbunden. Vom Mikrocomputer wird die Ausgangsspannung U3 des Integrators in regelmäßigen Abständen von 50 us abgefragt, siehe Bild 2 und es wird festgestellt, in welchem logischen Pegelbereich sich die Analogspannung gerade befindet. Dazu braucht man in dieser Schaltung im Gegensatz zu bekannten Ausführungen nach dem Charge-Balancing Verfahren keinen Komparator sondern kann vom Ausgang des Integrators direkt zu einem digitalen Signaleingang gehen. Je nach Ergebnis dieser Abfrage setzt der Mikrocomputer die Ausgangsspannung U2 auf den entsprechenden logischen Pegel OV oder 5V, so daß wegen der Inverterwirkung des Operationsverstärkers die Ladung in der Kapazität C1 um einen Mittelwert schwankt.
Eine Spannungsmessung umfaßt vorzugsweise N = 5000 Abfragezyklen. Während der ganzen Zeit fließt in den Integrator der Strom II=U1 . Ist während R1 n Zyklen die Spannu~ng U2 = O V, so fließt in den Integlator der Strom I2 = -2,5V. In den übrigen N-n Zyklen, in denen 112 2=5V ist, fließt R2 1 2,5V der Strom I2 = in den Integrator. Da bei der Messung die Ausgangsspannung U3 im Mittel konstant gehalten wird, was nur bei einem im zeitlichen Mittel verschwindenden Eingangsstrom möglich ist,gi#t die Beziehung: N ~ 11 + n I2 + (N - n) 12 = 0 bzw.
Daraus folgt: N #1 - N 5000 mm Mit N = 5000 wird daraus: U1 mV = n - 2500 Das heißt: Zählt man von den 5000 Zyklen jene zusammen, bei denen U2 auf OV gesetzt wurde und zieht man vom Ergebnis 2500 ab, so erhält man den Wert der Spannung U1 in mV. Dies ist besonders einfach zu berechnen und benötigt daher wenig Speicherplatz im Mikrocomputer. Man beachte, daß U1 positiv oder negativ sein kann. Dies bedeutet, der Meßbereich des Gerätes geht im genannten Beispiel von -2,5V bis +2,5V. In bekannten Messgeräten müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um Spannungen beider Polaritäten messen zu können.
Zu der Frequenzmessung wird der Doppel schalter S in Stellung b gelegt.
Da der Operationsverstärker nun nicht mehr gegengekoppelt ist, bewirkt schon eine kleine Wechselspannung U1 am Eingang, ein Schalten der Spannung U3 zwischen den Extremwerten der Verstärkerausgangsspannung. Der auf diese Weise entstehende mäanderförmige Spannungsverlauf wird vom Mikrocomputer abgefragt. Am Eingang P des Mikrocomputers wird über den Schalter S2 die 0 Betriebsart Frequenzmessung gemeldet. Infolgedessen zählt der Mikrocomputer die Zahl der Abfragen der Spannung U3 während einer Periode der zu messenden Spannung. Auf diese Weise wird die Periodendauer der Eingangsfrequenz bestimmt. Deren Kehrwert wird berechnet und als Frequenz zur Anzeige gebracht.
Mit diesem Meßverfahren lassen sich besonders vorteilhaft auch sehr niedrige Frequenzen in kurzer Zeit messen. Z.ß. wi u zur Messung einer Frequenz von 1Hz nur eine Zeit von 1 sec benötigt. Zur Erzielung einer hohen Genauigkeit muß eine Periodendauer mit einer hohen Zahl von Abfragen gemessen werden. Dies führt wegen der gegebenen Taktfrequenz des Mikroprozessors bei höheren Frequenzen zu Schwierigkeiten. Sie werden in der erfindungsgenäßen Schaltung dadurch vermieden, daß bei höheren Frequenzen eine wachsende Zahl von aufeinanderfolgenden Periodendauern ausgemessen werden. Das fängt in dem beschriebenen Beispiel schon bei 10 Hz an. Um je nach zu messender Frequenz die notwendige Anzahl von Perioden zu bestirnmen, geht der eigentlichen Messung eine automatische Meßbereichsauswahl voraus. Sie arbeitet nach dem gleichen Prinzip1 der Periodendauermessung und wählt je nach Zahl der in einer Periode festgestellten Zyklen den passenden Meßbereich. Die Meßbereiche sind wie in dem Beispiel vorzugsweise dekadisch gestuft. Die höchste Frequenz, die auf diese Weise mit dem Mikrocomputer 8748 direkt gemessen werden konnte, ist 50 kHz. Durch die bekannte Methode des Vorschaltens eines Teilers läßt sich der Frequenzbereich beliebig erweitern.
Eine besonders günstige Anwendung findet dieses Gerät auch im medizinischen Bereich. Hierzu verlangert man die Eingangsleitung bis zu einem oder mehreren Sensoren, mit denen man z.B. den Blutdruck 1den Herzschlag oder sonstige charakteristische zeitabhängige Größen aufnehmen kann. Das Gerät ist dann in der Lage, sowohl eine Kurzzeitmessung durchzuführen und z.B. aus einer einzigen Pulsschlagperiode die Pulsfrequenz zu ermitteln, als auch eine Langzeitmessung über viele Perioden durchzuführen und daraus dann Mittelwert und Streuung mit großer Genauigkeit zu berechnen und anzuzeigen. In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemüßen Schaltung wird zwischen den Sensoren und dem gezeichneten Eingang für die Spannungsmessung noch ein übliches Abtast- und Halteglied eingefügt. Damit wird dann eine rasche Abtastung einer Spannungs-Zeit-Funktion möglich. Aus den Abtastwerten lassen sich dann in bekannter Weise mit dem Mikrocomputer charakteristische Werte errechnen und mit ihrer Hilfe dann eine Klassifizierung des vorgegebenen Zeitverlaufes vornehmen. Es entspricht dann einem automatisch messenden und klassifizierenden EKG-Gerät.
Literatur /1/ Robert C. Kime und Ing.(grad) Volker Kusterer "Charge balancing" - ein neues A/D-Integrationsverfahren.
Elektronik 74, Heft 12, S. 469-472 Leerseite

Claims

Patentanspriiilre AnsprL=h 1 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser, dadurch gekennzeichnet, daß der analoge Meßteil als aktives Element nur einen Operationsverstärker enthält, dessen Beschaltung mit passiven Bauelementen entsprechend der gewünschten Betriebsart mit einem Betriebsartschalter verändert wird, daß sämtliche anderen Meßoperationen im Digitalteil durchgeführt werden und daß dieser Digitalteil vorzugsweise nur aus einem integrierten Mikrocomputer mit einer digitalen Anzeigevorrichtung besteht, und daß der Ausgang des Digital teiles zum analogen Meßteil hin aus einer digitalen Treiberstufe mit genau definierten Spannungspegeln besteht.

Anspruch 2 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle aktiven Bauelemente sowohl für die Spannungsmessung als auch für die Frequenzmessung benötigt werden.

Anspruch 3 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Frequenzmessung der Operationsverstärker nicht gegengekoppelt und über eine Kapazität mit dem Eingang verbunden ist, und daß bei der Spannungsmessung der Operationsverstärker als Integrator wirkt, dem die Eingangsspannung über einen hohen Widerstand zugeführt wird, und daß die Änderung der Beschaltung des Operationsverstärkers durch Umlegen eines Schalters erfolgt.

Anspruch 4 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer beliebigen Technologie des Mikrocomputers seinem Ausganglder zur analogen Meßschaltung führtlein CMOS-Inverter nachgeschaltet wird.

Anspruch 5 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichret, daß eine Spannungsmessung N Abfragezyklen umfaßt, wobei N vorzugsweise gleich der Zahl ist, die der Betriebsspannung E in Millivolt entspricht.

Anspruch 6 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Betriebsart Frequenzmessung der eigentlichen Messung eine automatische Meßbereichsauswahl vorausgeht, die je nach der Zahl der in der ersten Periode gemessenen Zyklen den passenden Meßbereich aus einer Reihe dekadisch gestufter Meßbereiche auswählt.

Anspruch 7 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser nact, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Betriebsart Frequenzmessung der Eingang einen Sensor zur Aufnahme des Puls- bzw. Herzschlages umfaßt.

Anspruch 8 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Betriebsart Frequenzmessung nicht nur eine Periode des Pulsschlages gemessen wird, sondern eine Vielzahl von Perioden, daß ihre statistische Auswertung im Mikrocomputer erfolgt und daß sowohl Mittelwert als auch Streuung zur Anzeige gelangen.

Anspruch 9 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser nach Anspruch I und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Betriebsart Spannungsmessung dem Eingang ein Abtast- und Halteglied vorgeschaltet ist, daß die digitalisierten Abtastwerte über eine (der whrere Herschlagperioden dem Mikrocomputer zugeführt werden, daß im Mikrocomputer eine Klassifizierung durchgeführt wird und daß das Ergebnis der Klassifizierung zur Anzeige gebracht wird.

Anspruch 10 Kombinierter Spannungs- und Frequenzmesser nach Anspruch 1,7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Klassifizierung mit Hilfe eines digitalen Filters erfolgt.