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Die Erfindung bezieht sich auf die elektrische Messtechnik und betrifft insbesondere eine digitale Enrich- tung zur Messung der Induktivität sowie der Kapazität einer LC-Parallelschaltung, mit einer torgesteuerten
Zähleinrichtung.
Die erfindungsgemässe Messeinrichtung ist in erster Linie für Messungen von Parallel-Resonanzkreisen verschiedenartiger elektronischer Bauteile der Nachrichtentechnik vorgesehen. Sie kann auch für Messungen von LC-Dünnschichtelementen und für die Messung der Signale von LC-Gebern und LC-Mikrogebern benutzt werden.
Zwar ist aus der USA-Patentschrift Nr. 3,480, 857 eine Einrichtung zur Induktivitäts- oder Kapazitäts- messung durch Vergleich mit einer weitaus grösseren Normalinduktivität bzw. Normalkapazität bekannt, welche einen mit Hilfe des bekannten und anschliessend mittels des unbekannten Schaltelementes abgestimm- ten Oszillator aufweist, dessen jeweilige Ausgangsfrequenz mit einem torgesteuerten Zähler festgestellt wird, wobei die Differenz der Frequenzen dem Verhältnis der beiden Schaltelemente entspricht. Der Schaltungsaufbau zur Induktivitätsmessung unterscheidet sich jedoch erheblich von demjenigen zur Kapazitätsmes- sung, sodass jeweils nur ein Schaltelement messbar und die Einrichtung wegen der Resonanzeigenschaften einer LC-Parallelschaltung zu deren Messung ungeeignet ist.
Ferner beschreibt die DDR-Patentschrift Nr. 84 878 eine digitale Messanordnung zur Messung von Induktivitäten oder Kapazitäten, mit einer Messbrücke und einer Phasenmesseinrichtung, deren Ausgang mit einer Vergleichsspannung einem die Messanordnung speisenden Regelkreis zugeführt wird, dessen Speisespannung frequenzmässig durch einen Impulszähler erfasst wird. Nachteilig dabei ist, dass der Phasenunterschied der Messbrückenspannungen in definiertem Verhältnis zum Blindwiderstand des Messobjektes stehen und die Phase zwischen den Spannungen unabhängig vom Wert der zu messenden Induktivität bzw. Kapazität konstant gehalten werden muss.
Auch die Anordnung ist zur Messung eines LC-Parallelkreisesnichtgeeignet, da in diesem Fall die vorhin genannten Bedingungen nicht mehr eingehalten we rdenund der Phasenwinkel der Ausgangsspannung der Messanordnung der Parallelschaltung als ganzes, nicht aber deren einzelnen Schaltelementen entspräche.
Schliesslich ist der deutschen Offenlegungsschrift. 1952985 ein digitales Kapazitätsmessinstrument entnehmbar, bei welcher der zu messende Kondensator periodisch geladen und entladen wird. Dieses kompliziertaufgebaute Instrument ist ebenfalls zur Messung von LC-Parallelschaltungen ungeeignet, da hiebei die Charakteristik des Entladevorgangs stark verändert würde und Schwingungen aufträten, was die Messung stark verfälschte.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer digitalenMesseinrichtung, mit der die einzelnen Schaltelemente einer LC-Parallelschaltung gemeinsam gemessen werden können.
Dieses ZielwirdmiteinerdigitalenEinrichtungdereingangsgenanntenArterreicht, welche'Einrichtung erfindungsgemäss gekennzeichnet ist, durch eine Schalteinheit mit vier Eingängen, von denen der erste aneine
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anderseits mit einer digitalen Zeitmesseinrichtung verbunden ist, welche als Zähleinrichtung zwei über jeweils eine Torschaltung an einenimpulsgenerator angeschlossene Impulszähler aufweist, wobei die Schalteinheit durch Anlegen des Startsignales aus ihrem Ausgangszustand in einen erstenSchaltzustand umgeschaltet ist, in dem auf ihrem ersten Ausgang die linear veränderliche Spannung liegt sowie die Normalinduktivität mit der ersten Gleichspannungsquelle verbunden ist,
bei Ansprechen der Vergleichsschaltung über die Steuerschaltung die eine Torschaltung durchgeschaltet und zugleich die Schalteinheit in einen zweiten Schaltzustand versetzt ist, in dem ihr erster Ausgang an Erdpotential gelegt und die Normalinduktivität mit der zweiten Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobeiferner bei neuerlichem Ansprechen der Vergleichsschaltung über die Steuerschaltung diese Torschaltung gesperrt ist und nach einem vorbestimmten Zeitintervall die Schalteinheit mittels des Zeitgebers in einen dritten Schaltzustand überführt ist, in dem ihr erster Ausgang mit der ersten Gleichspannungsquelle verbunden ist sowie die Normalinduktivität an Erdpotential liegt und zugleich die andere Torschaltung durchgeschaltet ist,
und bei nochmaligem Ansprechen der Vergleichsschaltung die Schalteinheit mittels der Steuerschaltung in ihren Ausgangszustand, in dem ihr erster Ausgang an Erdpotential liegt, rückgeschaltetund zugleich die andere Torschaltung gesperrt ist, wobei der der einen Torschaltung entsprechende Impulszähler der zu messenden Kapazität und der der andern Torschaltung entsprechende Impulszähler der zu messenden Induktivität der LC-Parallelschaltung zugeordnet ist.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Messung der Induktivität sowie der Kapazität einer LC-Parallel-
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schaltung ermöglicht die Messung der genannten Grössen während eines geringen Zeitintervalls mit hoher Ge- nauigkeit und zeichnet sich durch einfache Konstruktion und kleine Abmessungen aus.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines konkreten Ausführungsbeispiels und der beiliegenden
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Blockschaltbild der erfindungsgemässen Einrichtung und
Fig. 2 den Verlauf a, b, c der Spannungen U1, U2, U3 am ersten und zweiten Ausgang der Schalteinheit so- wie am Ausgang des Gleichspannungsverstärkers.
Die erfindungsgemässe Messeinrichtung enthält eine Schalteinheit --1-- (Fig. 1) mit vier Eingängen --6,
7,8, 9-- die elektronische Schalter --2, 3,4 und 5-- aufweist, vonwelchen jeder auf bekannte Art mit zwei
Transistoren ausgeführt ist. Hiebei entsprechen dem ersten Eingang --6-- der Schalteinheit --1-- der Ein- gang des Schalters --2--, dem zweiten Eingang --7-- der Schalteinheit --1-- die parallel geschalteten Ein- gänge der Schalter-3 und 4--, dem dritten Eingang --8-- der Schalteinheit --1-- der andere Eingang des
Schalters--4--, dem vierten Eingang --9-- der Schalteinheit --1-- der andere Eingang des Schalters --2--, der mit dem Eingang des Schalters --5-- in Verbindung steht.
Die schalteinheit --1-- weist zwei Ausgänge --10, 11-- auf, von denen der erste Ausgang --10-- dem Ausgang des Schalters --3-- und der zweite Ausgang --11-- des Schalters --5-- entsprechen. Der Ausgang des Schalters --2-- ist mit dem andern Eingang des Schalters --3-- und der Ausgang des Schalters --4-- mit dem andern Eingang des Schalters --5-- verbunden.
Der erste Eingang --6-- der Schalteinheit --1-- ist an den Ausgang einer Spannungsquelle-12- mit linear veränderlicher Spannung, der zweite Eingang --7-- an eine Gleichspannungsquelle --13-- und der dritte Eingang --8-- an eine Gleichspannungsquelle --14-- von entgegengesetzter Polarität angeschlossen, während der vierte Eingang --9-- geerdet ist. Die Spannungsquelle --12-- mit linear veränderlicher Spannung ist auf bekannte Art als Gleichspannungs-Integrierverstärker ausgeführt; die Gleichspannungsquellen - 13-und-14-sind auf bekannte Art mit Halbleiterbauelementen ausgebildet.
Der erste Ausgang --10-- der Schalteinheit --1-- ist mittels der zu messenden Parallelschaltung aus einer Induktivität --15-- und einem Kondensator --16-- an den Eingang eines Gleichspannungsverstärkers - mit Widerstandsgegenkopplung (die durch Einschalten eines Widerstandes --18-- in den Gegenkopplungskreis dieses Verstärkers --17-- erreicht wird) angeschlossen. Der zweite Ausgang --11-- der Schalt- einheit --1-- ist über die Normalinduktivität --19-- gleichfalls an den Eingang des Verstärkers --17-- ge- legt. Der Ausgang des Verstärkers --17-- ist seinerseits an den einen Eingang einer Vergleichsschaltung - angeschlossen, dessen anderer Eingang geerdet ist.
Der Gleichspannungsverstärker --17-- und die Vergleichsschaltung --20-- stellen eine integrierte Mikroschaltung dar.
Die Einrichtung ist ferner mit einer Steuer schaltung --21-- versehen, die aus Flip-Flops --22, 23,24, und 25--, einem Zeitgeber--16--, wobei als solcher bei der gegebenen Ausführungsvariante eine auf bekannte Art ausgeführter monostabiler Multivibrator benutzt ist, und einem auf bekannte Art ausgebildeten Taktverteiler --27-- mit zwei Flip-Flops, deren Ausgänge mit einer Diodenmatrix zur Entschlüsselung ihres Zustandes verbunden sind.
Der erste Ausgang--28--des Taktverteilers --27-- ist mit dem Rücksetzeingang des Flip-Flops--22-- und dem Setzeingang des Flip-Flops--25--verbunden. Der zweite Ausgang-29-desTaktverteilers-27- ist mit dem Rücksetzeingang des Flip-Flops--25--und dem Eingang des Zeitgebers --26-- verbunden, dessen Ausgang mit dem Setzeingang des Flip-Flops --23-- und dem Rücksetzeingang des Flip-Flops --24-- in Verbindung steht. Der dritte Ausgang --30-- des Taktverteilers --27-- ist mit dem Rücksetzeingang des Flip-Flops-23-- verbunden.
An die Setzeingänge der Flip-Flops --22 und 24-- wird ein Startsignal angelegt.
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--22-- ist5-- in Verbindung stehen.
Die Einrichtung ist weiters mit einer Zeitmesseinrichtung --31-- versehen, die einen auf bekannte Art mit Halbleiterbauelementen aufgebauten Quarzimpulsgenerator --32--, Torschaltungen --33 und 34--, von welchen jede einen Transistor aufweist und Impulszähler --35 und36--, wobei als solche hochfrequente Dezimalimpulszähler vorgesehen sind, enthält. Der Ausgang des Impulsgenerators --32-- ist mit den Eingängen der Torschaltungen --33 und 34-- verbunden, deren Ausgänge jeweils mit den Eingängen der Impulszähler - 35 und 36-- verbunden sind. Die Steuereingänge der Torschaltungen --33 und 34 sind jeweils mit den Ausgängen der Flip-Flops --23 und 25-- verbunden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Messung der Induktivität sowie Kapazität einer LC-Parallelschaltung funktioniert wie folgt.
Der Ausgangszustand der Flip-Flops --22, 23, 24 und 25-- der Steuereinrichtung-21-- ist der Nullzustand. Hiebei halten die von diesen an die Schalter --2, 3,4 und 5-- der Schalteinheit --1-- angelegten Potentiale dieselben in solchen Zuständen, bei welchen der erste Ausgang --10-- und der zweite Ausgang
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--11-- der Schalteinheit --1-- an ihren vierten Eingang --9-- (Erdpotential) gelegt sind.
Bei Anlegen des Startsignales an die Setzeingänge der Flip-Flops --22 und 24--kippen diese in den Zu- stand "1" Die Potentiale an den Ausgängen dieser Flip-Flops --22 und 24-- ändern ihre Grösse, so dass die Schalter --2, 4 und 5-- umgeschaltet werden.
Hiebei wird der erste ausgang --10--d er Schalteinheit --1-an ihren ersten Eingang --6-- und der zweite Ausgang --11-- der Schalteinheit --1-- an ihren zweiten Ein- gang --7-- angeschlossen. Dies führt dazu, dass die Parallelschaltung der Induktivität-15-mit demihduk- tivitätswert L und des Kondensators --16-- mit der Kapazität C mit der linear veränderlichen Spannung - kt (k ist die Steilheit der veränderlichen Spannung) von der Spannungsquelle --12--, die ebenfalls durch das Startsignal ausgelöst wird, gespeist wird, während auf die Normalinduktivität --19-- mit dem Induktivitätswert Lo eine Gleichspannung +Eo der Gleichspannungsquelle --13-- gelegt wird.
Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Messeinrichtung sind in Fig. 2 die Verläufe a, b, c, der Spannungen U1, U2, U3 am ersten Ausgang --10-- der Schalteiheit --1--, an ihrem zweiten Ausgna g--11-und am Ausgang des Gleichspannungsverstärters --17-- dargestellt. Die Spannungen-kt und +E. sind in den Verläufen a und b dargestellt.
Die Spannung U3 am Ausgang des Gleichspannungsverstärkers --17--, in dessen Gegenkopplungskreis der Widerstand --18-- mit dem Widerstandswert E0 liegt, steigt sprunghaft an und sinkt dann allmählich ab, wobei für das ordnungsgemässe Arbeiten der Einrichtung die Erfüllung der Bedingung
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erforderlich ist. Erreicht diese Spannung U 3 den Wert Null, so gibt die Vergleichsschaltung --20-- en Sig-
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womit die Messung des ersten Zeitintervalls t, (Fig. 2, c) beginnt.
Ausserdem schaltet der Impuls vom ersten Ausgang --28-- des Taktverteilers --27-- das Flip-Flop --22-- in den Zustand "0" zurück. Folglich werden die Schalter-2 und 4-umgeschaltet, sodass der erste ausgang --10-- der Schalteinnheit --1-- an ihren vierten Eingang --9-- und der zweite Ausgang--11-- der Schalteinheit --1-- an ihren dritten Eingang - -8-- angeschlossen werden. Dies führt dazu, dass an die Parallelschaltung --15, 16-- Erdpotential (Fig. 2,
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sprunghaft ab und steigt dann linear an.
Hat diese Spannung U erneut den Wert Null erreicht, so gibt die Vergleichs schaltung --20-- ein weite-
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Ausgang --29-- des Taktverteilers --27-- ein"1" überführt und das Flip-Flop-24-- in den Zustand "0" rücksetzt. Hiebei wird die Torschaltung --33-geöffnet und der Impulszähler --35-- beginnt die Messung des zweiten Zeitintervalls t2 (Fig. 2, c). Ausserdem werden die Schalter --3 und 5-- umgeschaltet und somit der erste Ausgang --10-- der Schalteinheit - an ihren zweiten Eingang --7-- gelegt, während der zweite Ausgang --11-- der Schalteinheit --1-- mit ihrem vierten Eingang --9-- verbunden wird.
Dies führt dazu, dass an der LC-Parallelschaltung die Gleichspannung +Eo (Fig. 2, a) der ersten Gleichstromquelle --13-- und an die Normalinduktivität --19-- das Erdpotential (Fig. 2, b) angelegt wird. Die Ausgangsspannung U 3 des Gleichspannungsverstärkers --17-- beginnt zu sinken, und in dem Augenblick, in dem diese Spannung U3 erneut den Wert Null erreicht, gibt die Vergleichsschaltung --20-- ein drittes Signal ab, wodurch am dritten Ausgang --30-- des Taktverteilers - ein Impuls auftritt, der das Flip-Flop --23-- in den Ausgangszustand zurückbringt. Der Schalter - wird umgeschaltet und die Torschaltung--33--gesperrt. An die LC-Parallelschaltung --15, 16-- wird das Erdpotential gelegt und der Impulszähler --35-- beendet die Messung des Zeitintervalls t 2.
Die Messeinrichtung ist in den Ausgangszustand zurückversetzt.
Aus dem gemessenen Zeitintervallenti und t2 kann man eindeutig die Werte der Kapazität C und der Induktivität L der Parallelschaltung --15, 16-- ableiten:
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Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Messung einer LC-Parallelschaltung verfügt über hohe Messgeschwindigkeit, hat einen weiten Anwendungsbereich und hohe Messgenauigkeit.
Bei der Messung sichert die Messeinrichtung hohe Messgenauigkeit durch Beseitigung von durch parasitäre Kapazitäten der Spulen und parasitäre Induktivitäten der Kondensatoren, durch die Unstabilität der Ansprechschwelle der Vergleichs schaltung sowie durch die Unstabilität der Speisequellen bedingten Fehler.
Die Einrichtung bietet die Möglichkeit, die Verlustleistung der Parallelschaltung zu verringern, wodurch es möglich ist, die Induktivität sowie die Kapazität von LC-Dünnschichtelementen zu messen und die Signale von LC-Mikrogebern in Zeitintervalle umzuwandeln. Ausserdem zeichnet sich die Einrichtung durch einfache Konstruktion und geringe Abmessungen aus.