<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur elektrischen Frequenzmessung, bei der zu Beginn je- der Periode des Messsignals über einen mechanischen oder elektronischen Schalter ein Kondensator von einer Spannungs-oder Stromquelle aufgeladen wird und bei der dem Kondensator ein nichtlinearer Entladewider- stand parallelgeschaltet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung dieser Art so auszubilden, dass sie eine schnelle
Messung der Frequenz elektrischer Signale gestattet, wobei Frequenzänderungen rasch und genau erfasst werden können. Durch Verwendung an sich bekannter Messwandler sollen auch : nichtelektrische Vorgänge, z. B. me- chanische Drehzahlen oder akustische Schwingungen der Messung zugänglich gemacht werden können. Eine laufende, genaue Frequenzmessung bei Vorgängen mit schnell veränderlicher Frequenz ist deshalb wichtig, da- mit manuelle oder automatische Massnahmen, die wegen der veränderten Frequenz eines Signals notwendig werden, entsprechend schnell erfolgen können.
Bei einer bekannten Einrichtung zur Frequenzmessung ist ein Kondensator vorgesehen, dem mit jeder
Periode des in seiner Frequenz zu messenden Signals (Messsignal) jeweils konstante Ladungsbeträge zugefuhrt werden, und ferner ein parallel zum Kondensator geschalteter Ohmscher Widerstand, der eine stetige Entla- dung des Kondensators bewirkt. Die Spannung am Kondensator erhöht sich dabei so lange, bis die pro Zeitein- heit zufliessende Ladung gleich der pro Zeiteinheit durch den Widerstand abfliessenden Ladung ist. Wenn die
Zeitkonstante C x R der Kondensator-Widerstands-Parallelschaltung gross gegenüber der Periodendauer des Mess- signals ist, stellt sich am Kondensator eine Spannung geringer Welligkeit ein, deren Mittelwert proportional der Frequenz des Messsignals ist.
Diese Zeitkonstante C x R ist aber auch bei Änderungen der Frequenz des Mess- signals wirksam und verhindert, dass die Spannung am Kondensator schnellen Frequenzänderungen getreu folgen kann. Bei einer bekannten, ähnlich arbeitenden Einrichtung (s. österr. Patentschrift Nr. 216630) wird zu Beginn jeder Periode des Messsignals ein Kondensator durch einen elektronischen Schalter (Transistor) völlig entladen und bis zum Beginn der nächsten Periode über einen Widerstand, u. zw. das anzeigende Strommessinstrument, wieder aufgeladen. Der mittlere Ladestrom durch das Messinstrument ist dann proportional der Frequenz des
Messsignals, die Schwankungen des Kondensator-Ladestroms werden durch die Trägheit des Anzeigeinstruments ausgemittelt.
Dies entspricht der oben erwähnten Mittelwertbildung, und das Instrument stellt sich erst nach einigen Perioden des Messsignals auf den richtigen Endwert ein. Bei einer ebenfalls ähnlich arbeitenden Ein- richtung (s. österr. Patentschrift Nr. 220234) ist im Ladekreis des Kondensators ein zusätzlicher Widerstand an- geordnet.
Es ist auch bereits bekannt, den Ladestrom des Kondensators einem Transistorverstärker zuzuführen, der in seinem Kollektorkreis ein RC-Glied zur Glättung der Stromschwankungen aufweist (s. deutsche Auslege- schrift 1190100). Weiters ist auch eine Frequenzmesseinrichtung bekannt (s. deutsche Auslegeschrift 1191905). bei der über einen elektronischen Schalter (Röhre) und einen Hilfskondensator ein Messkondensator geladen bzw. entladen wird, wobei auch Widerstände im Kondensatorkreis liegen, die verhindern, dass schnelle FreFrequenzänderungen sofort angezeigt werden. Damit weist aber auch eine solche Einrichtung dieselben Nach- teile wie die bereits angegebenen Ausführungen auf.
Es wird nur statt und entsprechend der Kollektor-Emitter- - Strecke eines TransistorsdieAnoden-Kathoden-StreckeeinerRöhrealselektronischer Schalter benutzt. Schliesslich ist auch eine Frequenzmesseinrichtung bekannt (s. österr. Patentschrift Nr. 139637), bei welcher bei jeder Periode des Messsignals durch einen Hilfskondensator Ladungsbeträge aus-einem Messkondensator entnommen werden. Zwischen den Perioden wird der Messkondensator über einen Widerstand von einer Spannungsquelle aufgeladen, so dass sich an ihm eine Spannung gewisser Welligkeit einstellt, deren Mittelwert proportional der Frequenz des Messsignals ist. Zur Unterdrückung der Welligkeit kann die Spannung am Messkondensator periodisch einem dritten Kondensator vermittelt werden, an dem dann eine frequenzproportionale Spannung geringer Welligkeit ansteht.
Alle vorstehend angeführten Einrichtungen besitzen eine RC-Zeitkonstante, die zum Erreichen einer geringen Welligkeit der frequenzproportionalen Spannungen bzw. Ströme in bezug auf die Periodendauer des Messsignals gross sein muss. Es findet also immer eine Mittelwertbildung der dem Kondensator zugeführten und entnommenen Ladung über mehrere Perioden des Messsignals statt, so dass die betreffenden Einrichtungen nicht für die Messung schnell veränderlicher Frequenzen geeignet sind.
Bekannte Einrichtungen zur schnellen messtechnischen Erfassung von Frequenzen bestimmen die Dauer der einzelnen Perioden des Messsignals, was mit analogen oder digitalen Schaltungsmassnahmen erreicht werden kann. Ein digitaler oder analoger Zeit-Spannungs-Wandler liefert am Ende jeder Periode des Messsignals einen digitalen bzw. analogen Wert, der der Dauer der Periode proportional ist. Dieser Wert wird für die Dauer der folgenden Periode gespeichert und dann durch den neuen Messwert ersetzt. Eine plötzliche Frequenzänderung wird also sofort nach Ablauf der darauffolgenden Periode angezeigt. Eine solche Einrichtung arbeitet. also wesentlich schneller als die zuvor beschriebenen und erreicht sogar die theoretisch maximale Messgeschwindigkeit ; eine Änderung der Frequenz kann ja frühestens nach Ablauf einer Periode aus der veränderten Periodendauer bestimmt werden.
Nun ist aber in vielen Fällen die Ablesung oder Weiterverarbeitung der Periodendauer- - Messwerte ungünstig, unpraktisch oder unmöglich. Die Frequenz f errechnet sich bekanntlich aus der Periodendauer T zu F = l/T. Somit muss zur Erzeugung eines frequenz proportionalen Messwerts ein Festwert (1) durch den jeweiligen Periodendauermesswert ('1) dividiert werden, was wieder durch digitale oder analoge elektrische
<Desc/Clms Page number 2>
Einrichtungen geschehen kann. Werden analog arbeitende Einrichtungen verwendet, so ergeben sich sowohl bei der Umwandlung der Periodendauer in den Analogwert (z. B. Spannung) als auch bei der Division Fehler, die nur durch einen beträchtlichen Schaltungsaufwand gering gehalten werden können.
Bei digitalen Vorrichtungen lassen sich zwar leicht hohe Genauigkeiten erzielen, doch ist der Schaltungsaufwand grundsätzlich sehr gross.
5 Erfindungsgemäss wird nun mit einer Einrichtung der eingangs genannten Art eine schnelle Frequenzmessung auf besonders einfache Weise und mit nur geringem baulichen Aufwand dadurch ermöglicht, dass als Entlade- widerstand ein solcher mitexponentiellerStrom-Spannungs-Charakteristik, vorzugsweise eine Diode, verwendet ist und eine niederohmige Strommessanordnung vorgesehen ist, mittels welcher jeweils nur zum Ende jeder
Periode des Messsignals der momentan durch den Entladewiderstand bzw. den Kondensator fliessende Strom mess- ) bar ist, und dass dieser Messwert, der proportional der momentanen Frequenz des Messsignals ist, für die Dauer der jeweils nächsten Periode des Messsignals speicherbar ist.
Dadurch liefert die erfindungsgemässe Einrichtung schon nach Ablauf nur einer Periode des zu messenden Signals den exakten Wert der Frequenz und dies bei kon- stanter Frequenz ohne jede Welligkeit des Messsignals. Der vorzugsweise durch eine Diode gebildete Entlade- widerstand mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristikbewirkt nämlich während der Periodendauer eine I teilweise Entladung des Kondensators in der Art, dass am Ende jeder Periode des Messsignals der durch die Diode bzw. den Kondensator fliessende Strom umgekehrt proportional der Periodendauer und damit direkt proportional der Frequenz des Messsignals ist. Während also bei bekannten Einrichtungen eine stetige Messung des Lade- bzw.
Entladestroms des Kondensators stattfindet, die die erwähnte Welligkeit des Messwerts hervorruft, und durch in der Einrichtung schon vorhandene Zeitkonstanten (RC-Gliedet) die erwähnte Mittelwertbildung durchgeführt wird, wird in der erfindungsgemässen Einrichtung direkt ein Strom erzeugt, der umgekehrt proportional der lau- fenden Zeit ist und somit nur jeweils am Ende jeder Periode des Messsignals kurzzeitig gemessen und in geeig- neter Weise als Analogwert, z. B. als Spannung, für die Dauer der folgenden Periode gespeichert werden muss.
Die erfindungsgemässe Einrichtung arbeitet somit ohne vorherige Messung der Periodendauer und anschliessende
Division.
Dadurch ergibt sie auch wesentliche Vorteile gegenüber jenen, schon erwähnten Einrichtungen, die zwar eine schnelle messtechnische Erfassung von Frequenzen ermöglichen, jedoch zwecks Geringhaltung von unvermeidlichen Fehlern einen ganz beträchtlichen Schaltungsaufwand erfordern.
Weitere Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes sind an Hand der Zeichnungen beschrieben. Die Fig. la
EMI2.1
FrequenzmesseinrichtungFig. 2 gibt schematisch ein Ausführungsbeispiel der gesamten erfindungsgemässen Einrichtung wieder. Fig. 3 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der elektrischen Signale in der Einrichtung nach Fig. 2.
Die Fig. 4a und 4b zeigen für die schaltungstechnische Ausführung besonders gut geeigneten Varianten des wesentlichen Teils der Einrichtung nach den Fig. la und 1b. In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf des Messsignals--Uf-und der Ausgangsspannung-Ua-der Frequenzmesseinrichtung für den Fall dargestellt, dass eine später noch zu beschreibende Schaltungsmassnahme im Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Einrichtung Anwendung findet, die bewirkt, dass eine abnehmende Frequenz des Messsignals noch schneller eine entsprechende Abnahme des Ausgangssignals zur Folge hat. Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus einer Variante der erfindungsgemässen Einrichtung, die einen Messwert liefert, der proportional dem Logarithmus der Frequenz des Messsignals ist.
Aus Fig. 7 geht hervor, wie durch eine Erweiterung der Einrichtung nach Fig. 6 der Einfluss der Umgebungstemperatur kompensiert werden kann.
EMI2.2
-1-tiber einen mechanischen oder elektronischen Schalter --3- kurzzeitig an eine Spannungs- oder Stromquelle --4- gelegt. Am Ende der Schliesszeit des Schalters -3- stellt sich eine bestimmte Spannung am Kondensator und ein bestimmter Strom -10- durch die Diode -2- ein.
Nach Öffnung des Schalters -3- wird entsprechend Fig. lb der Kondensator-l-über die Diode-2- entladen ; der durch beide Elemente -1, 2- fliessende Strom sinkt vom Anfangswert 1 schnell ab und erreicht nach einer Zeit Tu, dite seit der Öffnung des Schalters -3-- verstrichen ist, einen Wert Il, der sich aus der Differentialgleichung der Parallelschaltung der Diode-2-, die eine exponentielle Strom-Spannungs-Charak-
EMI2.3
EMI2.4
EMI2.5
-1-, I = Anfangswert des Stromes durch die Diode-2-zum Zeitpunkt der Öffnung des Schalters-3-, A = Konstante, die von der exponentiellen Strom-Spannungs-Charakteristik der Diode -2-- abhängig ist, T = abgelaufene Zeit seit der Öffnung des Schalters-3-,
I = Strom durch die Diode 2-- und den Kondensator-l-zur Zeit T, nach Öffnung des Schalters-3-.
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
<Desc/Clms Page number 4>
aufgetragen :positive Impulse bedeuten dabei einen geschlossenen Schalter --6--, wogegen die Nullinie (t-Achse) einem geöffneten Schalter --6-- entspricht. In gleicher Weise sind in der dritten Zeile der Fig. 3 Impulse dargestellt, die die Schliesszeiten TZ des Schalters -3- (vgl. Fig. 2) angeben.
In der vierten Zeile der Fig. 3 ist qualitativ der zeitliche Verlauf des Stromes I durch die Diode-2bzw. die daraus resultierende Ausgangsspannung --U2-- des Strom-spannungs-Wandlers --5-- (vgl.Fig.2) dargestellt. Schliesslich ist in der letzten Zeile der Fig. 3 der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung-U-des Frequenzmessers dargestellt, der sich aus der Abtastung der Spannung-U-während der Zeiten T und ihrer Speicherung in der Speicherschaltung-7- (Vgl. Fig. 2) ergibt.
Durch die vertikal verlaufenden gestrichelten Linien in Fig. 3 ist am Beginn der Periode Tl 4 des Messsignals beispielhaft für alle andern Perioden die zeitliche Folge der Vorgänge in der Anordnung nach Fig. 2 an-
EMI4.1
wert zustrebt, der gleich der Spannung der Quelle--ist, und wobei sich ein maximaler Strom 10 (Fig. 3, vierte Zeile) durch die Diode-2-einstellt. Nach Ablauf der Zeitz 2erfolgt schliesslich die Entladung des
EMI4.2
bzw. einen entsprechenden Wert U erreicht.
Der Messwert, d. h. das Ausgangssignal des Frequenzmessers liegt nun also in Form einer Treppenspannung - -Ua- (Fig. 3, letzte Zeile) vor, deren jeweilige Stufenhöhe proportional ist der momentanen Frequenz, also der reziproken Periodendauer der jeweils vorhergehenden Periode des Messsignals --Uf--. Gleiche zweite
EMI4.3
tionalen Spannung-Ua-.
Unter Beibehaltung der wesentlichen Schaltungseinrichtung nach Fig. la und 1b kann ein Frequenzmesser im erfindungsgemässen Sinn auch unter Benutzung anderer Hilfseinrichtungen realisiert werden, wenn deren Zusammenwirken der Funktion der zuletzt beschriebenen Einrichtung gleich oder gleichartig ist und wenn diese Hilfseinrichtungen folgendes bewirken :
EMI4.4
geeigner Form, z. B. als dazu proportionale Spannung, jeweils für die Dauer der folgenden Periode des Messsignals. Dabei ist darauf zu achten, dass durch Einfügen der Strommessanordnung in die Grundanordnung nach Fig. la, lb der Strom Il gegenüber dem durch die Gleichung (1) gegebenen Wert nicht mehr verändert wird, als für den jeweiligen Anwendungsfall zulässig ist. Eine hiefür geeignete und an sich bekannte Anordnung ist z.
B. ein Operationsverstärker mit einem Widerstand zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang.
EMI4.5
2. Eine zeitlich-an die Strommessung und Speicherung anschliessende Aufladung des Kondensators-l-.
3. Nach Ablauf der Aufladung des Kondensators --1-- eine Entladung desselben über eine Diode --2mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik bis zum Ende der jeweiligen Periode des Messsignals.
Es wurde bereits erwähnt, dass als Diode-2-mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik eine Halbleiterdiode verwendet werden kann ; insbesondere Siliziumdioden sind hiebei gut geeignet. Eine solche Diode hat im sogenannten Durchlassbereich eine Strom-Spannungs-Charakteristik nach folgender Gleichung :
EMI4.6
wobei I = Strom durch die Diode,
U = Spannung an der Diode, Is = sogenannter Sperrsättigungsstrom der Diode, qo = Elektronenladung (1, 6 x 10" As), k = Boltzmann-Konstante (1,36x10-23 Ws/ K), / = absolute Temperatur ( K).
EMI4.7
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
als Entladewiderstand auch beliebige andere SchaltelementeDiode-3-mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik besonders gut ein pnp-oder ein pnp-Tran- 5sister, insbesondere ein epitaktischer Siliziumtransistor, geeignet, dessen Kollektoranschluss mit dem Basisan- schluss verbunden ist und einem ersten Anschluss der Diode entspricht, und dessen Emitteranschluss dem zweiten
Anschluss der Diode entspricht.
Ein solches Element zeigt über einen sehr grossen Bereich des Stromes eine ex- ponentielle Strom-Spannungs-Charakteristik nach Gleichung (2).
Ein pnp-oder npn-Transistor kann jedoch auch als 3-poliges Element eingesetzt werden. Eine erste Möglichkeit ist in Fig. 4 dargestellt. Der Emitter-12a-des Transistors-12-ist miteinem ersten Anschluss-la-
EMI5.2
nähernd gleich seinem Emitterstrom ist, fliesst der Strom I nur zu einem unbedeutenden Teil über den Basis- anschluss -12b- ab ; der grösste Teil fliesst vom Kollektoranschluss --12c-- zum Eingang --5a-- des Strom- I -Spannungs-wandlers --5-, so dass dessen Ausgangsspannung-U-wieder dem Strom I proportional ist. Da der Kollektorstrom eines Transistors durch die Spannung zwischen Basis und Kollektor praktisch nicht beeinflusst
EMI5.3
in Fig. 4a durch die Spannungsquelle-13-angedeutet und kann bei verschiedenen Anwendungen von Vorteil sein.
Ergänzend sei angeführt, dass der Emitterstrom I des Transistor -12-- eine exponentielle Abhängigkeit von der Spannung-U-zwischen Emitter-12a-und Basis-12b-nach Gleichung (2) hat.
Eine besonders einfache Anordnung erhält man, wenn man die Eingangsstrecke des Strom-Spannungs-
EMI5.4
als Diode und als Strom-Spannungs-Wandler.
Bei der allgemeinen Beschreibung der Erfindung wurde vorstehend bereits dargelegt, dass es zum Erreichen einer möglichst genauen Proportionalität zwischen dem Strom 11 und der reziproken Periodendauer Tl (Glei- chung 1) notwendig ist, den Strom 10'der zum Zeitpunkt der Öffnung des Schalters-3- (vgl.
Fig. la, lb, Fig. 2) fliesst, möglichst gross gegenüber dem Strom 11 zu wählen, der nach der kürzesten vorkommenden Periodendauer Tl des Messsignals fliesst, Für diesen Fall wird der Strom 11 nach der Zeit Tl praktisch unabhängig vom vom Anfangswert 10. Anderseits soll aber aus naheliegenden Gründen der Strom-Spannungs-Wandler-5-bei dem maximalen Strom I1, der nach der geringsten Periodendauer T1 des Messsignals fliesst, eine möglichst grosse Ausgangsspannung-Ua-abgeben, die in der Grössenordnung der Versorgungsspannung (Batteriespannung, z. B.
12 V) liegt. Bei dem viel grösseren Strom 10 würde aber dann die Ausgangsspannung-Ua-des Strom-Spannungs-Wandlers-5-begrenzt sein. Normale linieare Strom-Spannungs-Wandler, die z. B. durch einen Operationsverstärker mit Gegenkopplungswiderstand realisiert werden, zeigen jedoch bei Begrenzung der Ausgangsspannung ein starkes Ansteigen des Eingangswiderstandes. Da dieser in Reihe zum nichtlinearen Wirkwiderstand-2- (vgl. Fig. 2) liegt, wUrde die ordnungsgemässe Funktion der Grundanordnung (Fig. 1) nach Gleichung (1) gestört werden.
Durch an sich bekannte nichtlineare Schaltungsmittel (z. B. Zenerdiode parallel zum Gegenkopplungswiderstand bei Verwendung eines Operationsverstärkers) kann nun der Strom-Spannungs-Wandler-5-so ausgebildet werden, dass bei Strömen I in seinen Eingang-Sa-, die grösser sind als der Strom 11'der bei der geringsten Periodendauer des Messsignals auftritt, die Ausgangsspannung-Ua--konstant bleibt oder schwächer als proportional zum Strom I ansteigt, ohne dass sich der Eingangswiderstand des Strom-Spannungs-Wandlers erhöht.
Ein solcher Strom-Spannungs-Wandler arbeitet also im interessierenden Bereich von 11 linear mit einer maximalen Ausgangsspannung, die in der Grössenordnung der Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung liegt, und nimmt trotzdem ohne Erhöhung seines Eingangswiderstandes den Strom 10 auf, der sehr viel grösser
EMI5.5
Grundanordnung (Fig. l) nach Gleichung (1) nicht gestört wird.
Ein einfaches Ausführungsbeispiel für die erwähnten nichtlinearen Schaltungsmittel ist in der bereits beschriebenen Anordnung nach Fig. 4b gezeigt. Parallel zum Widerstand --14-- liegt eine Zenerdiode --15-, die bei Spannungen am Widerstand-14-, die kleiner als die Zenerspannung sind, nichtleitend und somit wirkungslos ist. In diesem Bereich ist der Spannungsabfall am Widerstand -14-- proportional dem Emitterstrom I des Transistors-12-. Erreicht der Spannungsabfall am Widerstand --14- die Höhe der Zenerspan-
EMI5.6
und übernimmtsistors-12-, dass die Spannung am Widerstand -14-- nur noch geringfügig ansteigt.
Dadurch kann die Spannung zwischen Kollektor-12c-und Basis-12b-des TraMistors-12-niemals einen positiven Wert annehmen, was die ordnungsgemässe Funktion der Anordnung gemäss Fig. 4 nach Gleichung (1) verhindern würde.
<Desc/Clms Page number 6>
Wie schon erwähnt, hat für eine Halbleiterdiode oder einen Transistor die Konstante A in Gleichung (1) den
Wert A = k. j/q . Da A der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Strom 11 und der reziproken Periodendauer Tl ist und sich mit der Temperatur der Halbleiterdiode oder des Transistors ändert, müssen, wenn die Tempe- ratur nicht konstant gehalten werden kann, geeignete Massnahmen zur Kompensation der Temperaturabhängigkit des Faktors A getroffen werden.
Eine erste Möglichkeit zur Temperaturkompensation besteht darin, für den Kondensator-l-einen solchen
Typ zu wählen, dessen Kapazität C prozentual mit der Temperatur abnimmt, so wie der Faktor A prozentual mit der Temperatur zunimmt, so dass C. A temperaturunabhängig wird. Sodann kann in bekannter Weise durch temperaturabhängige Widerstände, z. B. sogenannte Heissleiterwiderstände, dem Konversionsfaktor U ;/I des Strom-Spannungs-Wandlers-5- (vgl. Fig. 2) ein Temperaturgang vermittelt werden, der dem Temperatur- gang des Faktors A entgegengesetzt ist und diesen kompensiert, so dass die Spannung-U-temperaturunab- hängig wird. So kann z.
B. als Widerstand-14-in Fig. 4a eine Kombination eines normalen Festwiderstandes und eines Heissleiters verwendet werden, deren prozentuale Änderung mit der Temperatur der prozentualen Änderung des Faktors A mit der Temperatur entgegengesetzt ist. Auch den Spannungsübertragungsfaktor Ua/U der Speicherschaltung-7- (Fig. 2) kann durch ähnliche geeignete und an sich bekannte Massnahmen ein
Temperaturgang vermittelt werden, der den Temperaturgang des Faktors A kompensiert.
Die beschriebene Schaltungseinrichtung kann durch andere Schaltungseinrichtungen ersetzt werden, deren
Wirkung gleich oder gleichartig der Wirkung der Anordnung nach Fig. la, Ib ist. So kann z. B. die Parallelschal-
EMI6.1
tung ist dabei im üblichen elektrotechnischen Sinn eine solche Schaltung zu verstehen, die nach Vertauschung von Strom und Spannung sich durch dieselben mathematischen Ausdrücke beschreiben lässt wie die ursprUngliche Schaltung und daher nach Vertauschen von Strom und Spannung auch dieselbe Wirkung hat wie die ursprüngliche Schaltung. Dies entspricht letzthin einer Drehung der Strom-Spannungs-Charakteristik der Schaltung um 900 bzw. 2700..
Solche Anordnungen lassen sich aber immer mit Hilfe von sogenannten. nichtrezi- proken Bauelementen (Rotator, Negativ-Impedanz-Konverter, Gyratot) auf die Grundanordnung (Fig. l) zurück- führen, so dass weitere ähnliche Anordnungen hier nicht mehr erwähnt zu werden brauchen.
Wenn die Frequenz des Messsignals abnimmt, so kann diese Abnahme nicht erst nach Ablauf der jeweiligen Periode des Messsignals erkannt werden, sondern schon nach einer Zeit Tl vom Beginn der jeweiligen Periode, die grösser ist als die Dauer der vorhergehenden Periode des Messsignals. Eine Spannung-11-, deren Höhe der Dauer der vorhergehenden Periode proportional ist, ist ja in der Speicherschaltung-7- (Fig. 2) gespeichert.
Sinkt nun der Strom I so weit ab, dass die momentane Spannung-U-kleiner wird als die gespeicherte Span- nung-U ;- aus der vorhergehenden Periode, so bedeutet das, dass die momentane Periodendauer grösser ist als die Dauer der vorhergehenden Periode. Durch geeignete und an sich bekannte Massnahmen, z. B. durch Überbrücken des zweiten Schalters-6- (Fig. 2) durch eine Diode-6a-, kann nun sofort und laufend mittels der momentanen Spannung-U ;- die gespeicherte Spannung-U-und somit auch die Spannung-Ua-korrigiert werden, wie es der verlängerten Periodendauer und der verringerten Frequenz des Messsignals entspricht. Der entsprechende Verlauf der Ausgangsspannung-Ua-ist am Beispiel einer Rechteckschwingung Uf mit abnehmender Frequenz in Fig. 5 dargestellt.
In Fig. 5 gibt t die laufende Zeit an. Die erste Zeile zeigt beispielhaft als Messsigna1 --Uf- eine Rechteckschwingung abnehmender Frequenz bzw. zunehmender Periodendauer T. In der zweiten Zeile ist der prinzipielle Verlauf der Ausgangsspannung-Ua-des Frequenzmessers gezeigt. Der zeitliche Verlauf der Signale in der Gesamtanordnung entspricht im übrigen der Fig. 3. Gleiche zweite Indizes von Tl und Ua bezeichnen wieder einander entsprechende Werte der Periodendauer und der Ausgangsspannung.
Da die Periode Tl, t länger ist als die vorhergehende Periode T, l, unterschreitet in der Periode Tl, 2 nach Ablauf der Zeit zul die momentane Spannung-U,-die gespeicherte Spannung-U,-aus der vorhergehenden Periode, wodurch sich nun, trotz noch geöffnetem Schalter --6- (Fig. 2), über die Diode --6a-
EMI6.2
nächste Periode Ti, und für weitere Perioden, deren Dauer jeweils grösser ist als die der vorhergehenden Periode.
Wegen Linearitäts-und Nullpunktfehlern der dem Frequenzmesser nachfolgenden Geräte (Verstärker, Anzeigegeräte, Analog-Digital-Wandler, Regelgeräte usw. ) ist es nicht sinnvoll, einen Frequenzbereich grösser als etwa 100 : 1 bis 1000 : 1 mit einer linearen Frequenzmessung zu überstreichen. Für grössere Frequenzbereiche wird dann eine Bereichumschaltung vorzusehen sein. In manchen Fällen wird zu Übersichtszwecken aber eine Messung ohne Bereichsumschaltung in einem grösseren Frequenzbereich ( > 1000 : 1) gefordert. Hier bietet
<Desc/Clms Page number 7>
sich die Darstellung der Frequenz in einem logarithmischen Massstab an.
Nach einer im folgenden beschriebenen Variante kann die erfindungsgemässe Einrichtung auch einen Messwert liefern, der dem Logarithmus der Frequenz des Messsignals proportional ist. Zu diesem Zweck muss, die Messung des Stroms 11 durch die Diode-2-bzw. desselben Stroms 11 durch den Kondensator --1-- (Fig. 1b)
EMI7.1
EMI7.2
EMI7.3
-U1 - anaussetzung, dass der Quotient C. A/Tl. 10 genügend klein ist, was durch schon erläuterte Massnahmen erreicht werden kann, wird der zweite Logarithmusterm in Gleichung (3) vernachlässigbar klein, und die Spannung U 1 am Ende einer Periode der Dauer Tl des Messsignals ist proportional dem Logarithmus der reziproken Perioden- dauer T bzw. der momentanen Frequenz f1=1/T1 des Messsignals.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann man gemäss Fig. 6 abwandeln. Es entfällt der Strom-Spannungs-
EMI7.4
oder gegebenenfalls nach Verstärkung über den zweiten Schalter --6-- der Speicherschaltung --7-- zugeführt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass der aus der Parallelschaltung des Kondensators --1-- und der Diode - 2-entnommene Strom um einen von der gewünschten Messgenauigkeit bestimmten Faktor kleiner ist als der Strom I1, der bei der grössten vorkommenden Periodendauer Tl des Messsignals durch den Kondensator-l- bzw. durch die Diode-2-fliesst (vgl. Gleichung 1).
Durch an sich bekannten Methoden, z. B. durch Verwendung eines Differenzverstärkers, ist eine solche Fest- spannung von der Spannung -U1 - an der Diode-2-zu subtrahieren, dass bei der grössten vorkommenden
Periodendauer bzw. bei der kleinsten vorkommenden Frequenz des Messsignals dieAusgangsspannung-Ua- der Anordnung zu Null wird. Der zeitliche Ablauf des Messvorganges sowie die Funktion der Schaltungseinrich- tung entsprechen im übrigen der schon beschriebenen erfindungsgemässen Einrichtung zur linearen Frequenz- messung, so dass hier nicht weiter darauf eingegangen werden muss. Jedoch sind gegebenenfalls zusätzliche
Massnahmen der Temperaturkompensation notwendig.
Wird in der schon beschriebenen Weise eine Halbleiterdiode oder ein Transistor mit der Strom-Spannungs- -Charakteristik nach Gleichung (2) verwendet, so ist Is in Gleichung (3) der schon erwähnte sogenannte Sperr- sättigungsstrom (Gleichung 2). Dieser besitzt eine viel stärkere Temperaturabhängigkeit als der Faktor A ; sie muss zuerst eliminiert werden, was beispielsweise durch eine Anordnung nach Fig. 7 geschehen kann.
Die Span- nung-Ul-an der Diode-2-wird dem nichtinvertierenden Eingang --18a- eines Differenzverstärkers
EMI7.5
18-zugeführt,ferenzverstärkers liegt an einer zweiten Diode-16-, die von der gleichen Art wie die erste Diode-2-ist und durch eine Stromquelle-17-mit einem Strom Iv im Durchlassbereich betrieben wird, wodurch sich an ihr eine Spannung --Uv-- gemäss ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik (vgl. Gleichung 2) einstellt. Für die
Ausgangsspannung --U2-- des Differenzverstärkers --18-- (unter Vernachlässigung des zweiten Logarithmusterms in Gleichung (3) gilt dann
EMI7.6
EMI7.7
(s.Is2 = Sperrsättigungsstrom der zweiten Diode-16-.
Der zweite Logarithmusterm in Gleichung (4) ergibt einen konstanten Betrag, da die Sperrsättigungsströme der beiden Dioden zwar verschieden sein können, aber sich prozentual gleich mit der Temperatur ändern. Im Argument des ersten Logarithmusterms in Gleichung (4) steht nun nur noch der Strom Iv, der zunächst temperaturunabhängig ist.
Durch geeignete Wahl von Iv kann erreicht werden, dass bei der grössten Periodendauer Tl bzw. bei der geringsten Frequenz des Messsignals der zweite Logarithmusterm in Gleichung (4) gerade durch
EMI7.8
Die vorstehend beschriebene Massnahme der Temperaturkompensation kann natürlich in gleicher Weise angewendet werden, wenn als Diode-2-in der schon beschriebenen Art ein Transistor als zweipoliges Element
<Desc/Clms Page number 8>
geschaltet und verwendet wird, wobei vorzugsweise als zweite Diode --16- (Fig. 7) ein zweiter gleichartiger und gleichartig geschalteter Transistor verwendet wird. Besonders günstig ist hier die Verwendung eines sogenannten Dualtransistors, bei dem zwei gleiche Transistoren in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, wodurch sich eine gute thermische Kopplung ergibt.
Die Verwendung eines Transistors als 3poliges Element ist hier zwar ebenfalls möglich, jedoch nicht so vorteilhaft für die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden, eingangs. genannten Aufgabenstellung.
Die verbleibende Temperaturabhängigkeit des Faktors A kann durch einzelne oder mehrere der oben beschriebenen Massnahmen kompensiert werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit einer Kompensation des temperaturabhängigen Faktors A im Argument des ersten Logarithmusterms (Gleichung 4), indem die Strom- quelle-17-- (Fig. 7) in an sich bekannter Weise so ausgebildet wird, dass sich der Strom Iv prozentual in gleicher Weise mit der Temperatur ändert wie der Faktor A. Einem Temperaturgang des Konversionsfaktors
EMI8.1
:/I- -V- des Differenzverstärkers -18-- (Fig. 7).
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung zur Frequenzmessung ist es zweckmässig, in der schon oben bei der linearen Frequenzmessung beschriebenen Art eine sofortige laufende Korrektur der gespeicherten Spannung -UI- oder eines entsprechenden gespeicherten Wertes vorzunehmen, sobald die Dauer Tl einer zweiten Periode des Messsignals grösser wird als die Dauer der vorhergehenden Periode des Messsignals (Fig. 5). Die dazu verwendeten Mittel entsprechen den bereits beschriebenen (z. B. Diode -6a- in Fig. 6).
Für die Übersichtsmessungen in einem logarithmischen Massstab kann es in manchen Fällen auch nützlich sein, einen Messwert zu erhalten, der nicht proportional der Frequenz, sondern proportional der Periodendauer des Messsignals ist. Dies kann durch eine geringfügige Abwandlung der zuletzt beschriebenen Einrichtung erreicht werden. Durch eine einfache Umformung der Gleichung (4) ergibt sich nämlich, da der Logarithmus bekanntlich eine Division in eine Subtraktion überführt,
EMI8.2
Der Absolutwert der Spannung-U,-ist also proportional dem Logarithmus der Periodendauer Tl des Messsignals. Der Strom Iv der Stromquelle-n- (Fig. T) wird hiebei so gewählt, dass bei der kürzesten vorkommenden Periodendauer T, des Messsignals die Spannung-U-zu Null wird.
Der Nachteil, dass jetzt - U -bei zunehmender Periodendauer Tl negativ wird, kann leicht vermieden werden, indem die beiden Eingänge-l8a, l8b-des Differenzverstärkers-18-vertauscht werden (Fig. 7).
Die hier beschriebene Einrichtung bewirkt letztlich nur eine Subtraktion einer zweiten Spannung von der Spannung --UI- nach Gleichung (3) bzw. Gleichung (4), wobei die zweite Spannung so gewählt wird, dass bei der kürzesten vorkommenden Periodendauer T des Messsignals die Spannung-U-gleich dieser zweiten Spannung ist und deren Differenz somit zu Null wird ; dies entspricht der Tatsache, dass, wie schon erwähnt, der Logarithmus eine Division in eine Subtraktion überführt. Alle andern Einzelheiten der Schaltungseinrichtung entsprechen den bisher beschriebenen Einrichtungen.
Eine sofortige laufende Korrektur der gespeicherten Spannung-U-bzw. einer entsprechenden Grösse kann, ähnlich wie schon früher beschrieben, in diesem Fall dann durchgeführt werden, wenn die momentane Periodendauer T grösser wird als die Dauer der vorhergehenden Periode des Messsignals und wenn demzufolge die momentane Spannung-Ujj-bzw. ein ihr entsprechender Wert grösser wird als die zum Ende der vorhergehenden Periode des Messsignals gespeicherte Spannung-U-bzw. der ihr entsprechende Wert. Dies kann durch ähnliche Massnahmen, wie schon beschrieben, durchgeführt werden. Als Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 eine Diode-6b-parallel zum Schalter -6- gezeigt, die der Diode-6a-in Fig. 6, nur mit vertauschter Polarität, entspricht.
Zur Vollständigkeit sei hier erwähnt, dass sich die erfindungsgemässe Frequenzmesseinrichtung nicht nur zur Anwendung bei periodischen Messsignalen eignet, sondern sich wegen der grossen Messgeschwindigkeit und wegen des Fehlens sonst üblicher Zeitkonstanten auch sehr gut zur Ermittlung der mittleren Ereignishäufigkeit pro Zeiteinheit bzw. des mittleren zeitlichen Ereignis-Abstands (sogenannter Erwartungswert) bei regellosen Vorgängen eignet, also bei Vorgängen, deren zeitliche Ereignisfolge durch statistische Gesetzmässigkeiten bestimmt ist. Um die statistische Streuung des Messwertes zu verringern, wird gegebenenfalls jedoch zweckmässig zwischen die Quelle des Messsignals und den Eingang des Frequenzmessers ein an sich bekannter Frequenzteiler (Frequenzuntersetzer) geschaltet.
Die erfindungsgemässe Einrichtung kann auch zur Messung der Frequenz nichtelektrischer Signale (z. B.
Drehzahlen, akustische Schwingungen) verwendet werden, wenn von dem in seiner Frequenz zu messenden Signal durch an sich bekannte Messwandler, z. B. Lichtschranken, induktive Impulsgeber usw., ein elektrisches Messsignal abgeleitet wird. Gegebenenfalls kann auch eine direkte mechanische Betätigung des ersten mechanischen Schalters -3- und des zweiten mechanischen Schalters-6- (Fig. 2) erfolgen, z. B. durch Nocken
<Desc/Clms Page number 9>
auf einer Welle, deren Drehzahl gemessen werden soll.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur elektrischen Frequenzmessung, bei der zu Beginn jeder Periode des Messsignals über einen mechanischen oder elektronischen Schalter ein Kondensator von einer Spannungs- oder Stromquelle auf- geladen wird und bei der dem Kondensator ein nichtlinearer Entladewiderstand parallelgeschaltet ist, d a- 5 durch gekennzeichnet, dass als Entladewiderstand (2) ein solcher mit exponentieller Strom-Spannungs- - Charakteristik, vorzugsweise eine Diode, verwendet ist und eine niederohmige Strommessanordnung vorge- sehen ist, mittels welcher jeweils nur zum Ende jeder Periode des Messsignals der momentan durch den Entlade- widerstand bzw. den Kondensator 1) fliessende Strom messbar ist, und dass dieser Messwert, der.
proportional der momentanen Frequenz des Messsignals ist, für die Dauer der jeweils nächsten Periode des Messsignals spei- cherbar ist.