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Digitalspannungsmesswerk
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Digitalmessen von Spannungen, bestehend aus einer
Zählvorrichtung mit einer Anzahl von Zählern, einer Reihenschaltung von Verstärkern, einem Spannungsteiler über dem durch die Zähler eine digitale Kompensationsspannung aufgebaut wird. Torschaltungen mit Spannungsschwellwerten, wobei die zu messende Spannung und die über den Spannungsteiler aufgebaute Spannung einer Vergleichseinrichtung zugeführt wird, und der Ausgang der Vergleichseinrichtung mit der Serienschaltung von Verstärkern verbunden ist.
Solche Einrichtungen sind bekannt ; bei diesen wird an aufeinanderfolgenden Zeitpunkten der Augenblickswert eines eingegebenen Signals gemessen. Diese Messung erfolgt in einem Messzyklus zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten. Der Anfang jedes Messzyklus wird z. B. durch einen Anlassimpuls eines Impulsgenerators angegeben, der gleichzeitig die Zähleinrichtung in die Nullage stellt.
In einem Messzyklus wird die Kompensationsspannung gemäss einem bestimmten Programm derart ge- ändert, dass sie gleich der zu messenden Spannung wird. An dem Ende eines Messzyklus indiziert die Stellung der Messeinrichtung den Wert des Signals. Das Programm eines Messzyklus lässt sich in verschiedener Weise wählen.
Es sind Einrichtungen bekannt, bei denen nach dem Einschalten einer Spannungsstufe in einer Vergleichseinrichtung bestimmt wird, ob diese Spannungsstufe im Vergleich zu der zu messenden Spannung beibehalten werden kann oder nicht. Darauf wird, nach etwaiger Korrektur, eine nächstfolgende Spannungsstufe eingeschaltet. Dieses Programm setzt sich fort, bis der Wert der beibehaltenen Gesamtspannungsstufen, welche verschiedene Grössen haben können, gleich der zu messenden Spannung ist.
Es ist eine andere Einrichtung bekannt, bei der gemäss dem Programm eine Reihe der Höchsten Dezimalstelle entsprechender Spannungsstufen eingeschaltet werden, z. B. bei einer Einrichtung mit 4-Dezimalindikatorzählern der 1000-Zähler. In dem Augenblick, in dem die zu messende Spannung durch die auf diese Weise aufgebaute Kompensationsspannung überkompensiert wird, hält dieser Zähler
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eingestellten höchsten Dekade und der Eingangsspannung nach der nächsthöchsten Dekade weitergegegeben, usw.
In einer praktischen Ausführung dieser Einrichtung ist für jeden Schritt in jeder Dekade ein bestimmter Schwellspannungsdetektor notwendig und ist ein Teil der erwähnten Serienschaltung von Verstärkern derart ausgeführt, dass die obengenannte Spannungsdifferenz bei jeder Dekade festgestellt werden kann.
Solche Einrichtungen erfordern häufig eine komplizierte Schaltungsanordnung zum Ausführen des gewünschten Programmes während des Messzyklus. Es werden z. B. Programmeinheiten in der Einrichtung untergebracht, die die Messung steuern.
Die Erfindung bezweckt, eine Einrichtung zu schaffen, bei der das Programm sehr einfach ist und mittels einer besonderen Schaltung der Elemente des Messkreises bereits in diesem Kreis selber fixiert ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Verstärker ein Ausgang mit einer einzigen
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Torschaltung mitSpannungsschwellwert und der Ausgang jeder Torschaltung miteinem Zähler der Zähleinrichtung verbunden ist, in der Weise, dass eine Anzahl von Zählern der Zähleinrichtung gleichzeitig (parallel) über einen oder mehrere Verstärker und ihre betreffende Torschaltung gesteuert und nur dann erregt werden, wenn das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung nach der Verstärkerung den Schwellwert der betreffenden Torschaltungen überschreitet.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, die eine Ausführungsform der Erfindung im Blockschema darstellt. In jedem der Blöcke sind an sich bekannte elektronische Schaltungsanordnungen vorgesehen.
In der Zeichnung bezeichnet 1 eine Vergleichseinrichtung mit den Eingängen 2,3 und 4 für
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versehenen, Stufe 1 und verbindet diese Einrichtung mit der Reihenschaltung der Verstärker 8,9 und 10. Die Ausgänge letzterer Verstärker sind mit den Torschaltungen 11 bzw. 12 bzw. 13 verbunden. Diese Torschaltungen sind mit einer elektronischen Zähleinrichtung 14 verbunden, u. zw. mit den Zählern 15 bzw. 16 bzw. 17. An sich sind diese Zähler mit einem Spannungsteiler 18 verbunden, u. zw. mit den Teilen 19,20 bzw. 21. An diesen Spannungsteiler 18 ist eine Spannungsquelle 22 mit einer Spannung U angeschlossen. Der Ausgang 23 dieses Spannungsteilers 18 der die Kompensationsspannung Uc liefert, ist mit dem Eingang 3 der Einrichtung 1 verbunden.
An die Eingänge 6 der Zähleinrichtung 14 und des Spannungsteilers 18 ist der Taktimpulsgenerator 5 angeschlossen. Im dargestellten Beispiel ist die Zähleinrichtung 14 mit drei Dekaden 5,16 und 17 ausgestattet. Ausser solchen Dekadenzählern können auch 8-Zähler, 16-Zähler u. dgl. benutzt werden. Wenn mehrere Zähler gewünscht sind, können diese mit je einem Verstärker und einer Torschaltung der vorhandenen Einrichtung nachgeschaltet werden ; z. B. vier im Falle von Messwerten bis zu 10 000 und bei Verwendung von Dekadenzählem. Die Zähler können bekannte, elektronische Ringzähler sein, wobei, nachdem ein Zähler durchlaufen ist, der nächstfolgende Zähler z.
B. der Zähler 16 einen Schritt gleich dem Bereich des vorhergehenden Zählers (in dem dargestellten Beispiel Zähler 17) vorwärts macht und der vorhergehende Zähler in die Anfangsstellung zurückkehrt.
Die Einrichtung 1 ist eine bekannte Differentialschaltung, in der nach einem Anlassimpuls P des Impulsgenerators 5, der den Rhythmus des Messzyklus steuert, einmal pro Messzyklus die Spannung Ux und Uc miteinander verglichen werden. Der absolute Wert der Spannung Uc ist dabei stets kleiner als der absolute Wert der Spannung Ux oder gleich diesem, im Falle vollständiger Kompensation.
Bei dem Vergleich der Spannungen Ux und Uc liefert die Einrichtung 1 einen Impuls, dessen Amplitude Uv für den Unterschied zwischen den beiden Spannungen massgebend ist. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist weiter folgende :
Am Anfang eines Messzyklus 1 stellt der Anlassimpuls P des Taktimpulsgenerators 5 den Zähler 14 in die Nullage. Der ebenfalls mit dem Taktimpulsgenerator verbundene Spannungsteiler 18 wird infolgedessen auch in die Nullage gestellt, was bedeutet, dass die Spannung Uc an dem Ausgang 23 dieses Spannungsteilers 18 Null ist. Die Amplitude Uv des Impulses am Ausgang 7 der Einrichtung 1 ist dann der Spannung Ux selber proportional. Dieser Impuls wird vorzugsweise zunächst in einem Verstärker 8 verstärkt und darauf dem Eingang der Torschaltung 11 zugeführt.
Dieses Tor öffnet sich nur dann, wenn die Amplitude Uv des Impulses wenigstens einen bestimmten Mindestwert hat. Solche Tore, die einen Impuls über einen bestimmten Schwellenwert durchlassen, sind an sich bekannt.
Wird dieser Minimalwert überschritten, so liefert das Tor 11 einen Impuls, wodurch der Zähler 15 einmal erregt wird. Der gleiche, im Verstärker 8 verstärkte Impuls wird darauf im Verstärker 9, u. zw. vorzugsweise zehnmal verstärkt, wenn ein Unterschied in Dezimalen gewünscht ist. Der Ausgang dieses Verstärkers 9 ist mit dem Tor 12 verbunden. Der Schwellenwert dieses Tores ist derart gewählt, dass nur dann ein Impuls dem Zähler 16 zugeführt wird, wenn die Differenzamplitude Uv = Ux - Uc mindestens von der Ordnung des betreffenden von dem Zähler angegebenen Zahlenwertes ist. In diesem Falle wird der Zähler 16 auch einmal erregt. Im Verstärker 10 wird der Impuls wieder verstärkt, auch vorzugsweise zehnmal wenn ein Unterschied in Dezimalen gewünscht ist, und dem Tor 13 zugeführt.
Dieses Tor hat einen Schwellenwert, der in diesem Beispiel von der Ordnung der niedrigsten Dezimalstelle ist und liefert nur dann einen Impuls für den Zähler 17, wenn die Amplitude Uv mindestens von der Ordnung dieses Dezimalwertes ist. Dann ist die Stellung der Zähleinrichtung 14 in Abhängigkeit von der Spannung Uv 001 oder 011 oder 111. Diese Stellung
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gänge wiederholen. Die Stellung der Zähler ändert sich wieder je nachdem die verschiedenen Schwel- lenwerte überschritten werden. Auch die neue Stellung der Zähleinrichtung 14 bedingt einen Stell- vorgang am Spannungsteiler 18, so dass eine Spannung U'c erhalten wird. Dieser Vorgang wieder- holt sich, bis endgültig eine Kompensationsspannung erhalten wird, die gleich der Spannung Ux ist.
Infolge der hohen Schaltgeschwindigkeit der verschiedenen Elemente ist die Zeitdauer eines Gesamt- messzyklus sehr kurz.
Um ein gutes Verständnis der Erfindung zu gewährleisten, wird nun ein zahlenmässiges Beispiel be- schrieben, das auf Dekadenzähler abgestellt ist.
Es wird angenommen, dass am Anfang eines Zyklus Ux = 243 und Uc = 0 Einheiten (z. B. mV) beträgt, dass die Verstärkung des Verstärkers 8 K-fach und die der Verstärker 9 bzw. 10 jeweils 10-fach ist und dass die Tore 11,12 und 13 nur dann einen Impuls auf die betreffenden Zähler 15 bzw. 16 bzw. 17 übertragen, wenn die Differenzspannung Uy 111 mV, 11 mV bzw. 0, 5mV beträgt. Der
Wert von 0,5 mV ist gleichzeitig die Minimalempfindlichkeit der Einrichtung. In diesem Falle sind die
Schwellenwerte der Tore 11,12 und 13 : 111K mV, 110K mV bzw. 50K mV. Weiter ist Uv = Ux - Uc.
Die Messung erfolgt wie folgt :
Die Zähler sind in der Stellung 0 und der Spannungsteiler liefert eine Spannung Uc = 0, also
Uv = Ux - Uc = 243 V. Am Tor 11 steht dann 243K > 111K, so dass der Zähler 15 in die Stel- lung 1 gelangt. Am Tor 12 steht dann 2430K > 110K, also gelangt Zähler 16 in Stellung 1.
Am Tor 13 steht dann 24300K > 50K, also gelangt Zähler 17 in Stellung 1.
Die Zähleinrichtung 14 zeigt infolgedessen die Stellung 111mV, welche Stellung ausserdem auf den Spannungsteiler 18 übertragen wird, der dann eine Spannung Uc = 111 mV liefert.
Uv = 243 - 111 - 132 mV.
Bei dem nächstfolgenden Impuls des Generators 5 ist die Lage wie folgt :
Am Tor 11 steht 132K > ll1K, also gelangt Zähler 15 in Stellung 2. Am Tor 12 steht 1320K > 110K, also gelangt Zähler 16 in Stellung 2. Am Tor 13 steht 13200K > 50K, also gelangt Zähler 17 in Stellung 2. Die Zähleinrichtung 14 zeigt die Stellung 222 mV an und über den Spannungsteiler 18 ist Uc = 222 mV, so dass Uv = 243 - 222 = 21 mV.
Die Lage bei dem nächstfolgenden Impuls des Generators 5 ist :
Am Tor 11 steht 21K < 111K, also bleibt Zähler 15 in Stellung 2. Am Tor 12 steht 210K > 110K, also gelangt Zähler 16 in Stellung 3. Am Tor 13 steht 2100K > 50K, also gelangt Zähler 17 in Stellung 3. Die Zähleinrichtung 14 zeigt als 233 mV an und es wird Uc = 233, so dass Uv = 10 mV wird.
Die Lage bei dem nächstfolgenden Impuls des Generators 5 ist : am Tor 11 steht 10K < 111K, also bleibt Zähler 15 in Stellung 2, am Tor 12 steht 100K < 110K, also bleibt Zähler 16 in Stellung 3, am Tor 13 steht 1000K > 50K, also gelangt Zähler 17 in Stellung 4. Die Zähleinrichtung 14 zeigt somit234 mV und es wird Uc = 234 und Uv = 9.
Die Tore 11 und 12 bleiben somit weiter geschlossen und nur das Tor 13 öffnet sich noch neunmal. Nach dem sechsten Mal erreicht der Zähler 17 die Stellung 10, liefert aber einen Impuls an den Zähler 16, der somit auf 4 springt. Schliesslich schreitet der Zähler 17 noch drei Schritte weiter, so dass, wenn Uc = Us. - 243 die Zähleinrichtung 14 nach insgesamt 13 Vorgängen die Stellung 243 erreicht hat.
Es sei bemerkt, dass durch die Wahl von Schwellenwerten, die nach der Teilung durch die vorhergehende Verstärkung in den betreffenden Zählkreisen höher als die von den betreffenden Zählern vertretenen Zahlwerte sind, die Messung etwas verzögert werden kann infolge der erforderlichen Weiterzählung eines vorhergehenden Zählers, wie dies aus dem Beispiel ersichtlich ist. Mit Rücksicht auf die an die Stabilität der Torspannung zu stellenden Anforderungen kann es erwünscht sein, die Schwellenwerte derart zu wählen, dass die Geschwindigkeit verringert wird.
Wenn in dem erwähnten Beispiel in einem ungünstigen Falle die Schwellenwerte fürdie Tore 11. 12undl3. 150K, 150Kbzw. 50KmVsind, werden wie oben die Zähler 15,16, 17 zunächst einen Schritt machen, worauf die Zähler 16 und 17 neun Schritte weiterlaufen, worauf Zähler 15 vom Zähler 16 einen Impuls empfängt und Zäh-
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ler 16 vom Zähler 17 einen Impuls erhält. Die Stellung ist in dem Beispiel dann 210 mV. Darauf zählen die Zähler 16 und 17 noch zwei Schritte weiter, worauf nur Zähler 17 noch 11 Schritte macht, wobei nach 8 Schritten zunächst ein Impuls dem Zähler 16 zugeführt wird. Die Geschwindigkeit hat somit abgenommen.