Schaltungsanordnung zur Multiplikation zweier Grosse, insbesondere von Strom und Spannung zur Wirkleistungsmessung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Multiplikation zweier Grosse, insbesondere von Strom und Spannung zur Wirkleistungsmessung, mit mindestens einem Analog-Digitalwandler, der eine Impulsfolge mit einem der einen Multiplikationsgrösse proportionalen Produkt aus Impulsfrequenz und Impulsbreite abgibt, und mit einer Koinzidenzschaltung zur Feststellung der Koinzidenz der Impulsfoge und mindestens einer weiteren, von der anderen Multiplika tionsgrösse abhängigen Impulsfolge.
Eine bekannte Schaltungsanordnung zur Multiplikation zweier Grössen besitzt zwei Analog-Digitalwandler, welche je eine Impulsfolge mit einem der einen Multiplikationsgrösse proportionalen Produkt aus Impulsfrequenz und Impulsbreite abgeben. Die beiden Impulsfolgen und eine Abtastimpulsfolge mit konstanter Frequenz und vergleichsweise sehr kleiner Impulsbreite werden mit einer Koinzidenzschaltungz. B. mit einem Und-Tor-miteinander verglichen. Die Anzahl der innerhalb einer Betrachtungsperiode aufgetretenen Koinzidenzen ist ein Mass für das Produkt der beiden Multiplikationsgrössen.
Bei einer anderen bekannten Schaltungsanordnung werden einer Koinzidenzschaltung eine erste Impulsfolge mit einem der ersten Multiplikationsgrösse proportionalen Produkt aus Impulsfrequenz und Impulsbreite sowie eine zweite Impulsfolge mit einer der zweiten Multiplikationsgrösse proportionalen Impulsfrequenz und vergleichsweise sehr kleiner Impulsbreite zugeführt. Die Anzahl der Koinzidenzen ist wiederum eine Nfass für das Produkt der Nfultiplikationsgrössen.
Die an den bzw. die Analog-Digitalwandler ge stellte Forderung, eine lmpulsfolge mit einem der Ein gangsgrösse proportionalen Produkt aus Impulsequenz und Impulsbreite zu bilden, konnte bisher nur bei entsprechend grossem technischem Aufwand mit befriedigender Genauigkeit erfüllt werden.
Bekannt ist, entweder die Impulsfrequenz oder die Impulsbreite einer Impu ! sfo) ge in Abhängigkeit von der Eingangsgrösse zu modulieren und die andere Grosse, Impulsbreite oder Impulsfrequenz, konstant zu halten. Durch Einflüsse der Umgebungstemperatur oder der Alterung der Komponenten bedingte Abweichungen der konstant gewählten Grösse vom Sollwert wirken sich dabei unmittelbar auf das Messresultat aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltungsanordnung zur Präzisions-Multiplikation zweier Grössen zu schaffen, bei welcher der bzw. die Analog-Digitalwandler eine Impulsfolge mit einem der Eingangsgrösse proportionalen Produkt aus Impulsfrequenz und Impulsbreite unmittelbar erzeugen, und nicht auf dem Umweg über eine genau konstante Impulsbreite oder Impulsfrequenz.
Es wurde nun gefunden, dass diese Aufgabe durch den sinnvollen Einsatz von bekannten eiektronischen Grundschaltungen auf äusserst einfache Weise gelöst werden kann.
Die Erfindung ist demgemäss dadurch gekennzeich- net, dass der Analog-Digitalwandler einen Miller-Integrator, einen Schwellenschalter und einen aus einem Zeitglied und einem Stromgenerator bestehenden Ladungsmengenkompensator aufweist, und dass der Ausgang des Zeitgliedes unmittelbar an einen Eingang der Koinzidenzschaltung angeschlossen ist, derart, dass die Genauigkeit der Multiplikation durch Toleranzen in der Zeitkonstante des Zeitgliedes nicht beeinflusst wird.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläu- tert.
Es zeigen :
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Nfultiplikation zweier Gleichstromgrossen,
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines Analog-Digital- wandlers und
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Multiptikation zweier Wechselstromgrössen.
In der Fig. 1 bedeuten 1 und 2 zwei gleiche Ana log-Digitalwandler, welche einen aus einem Opera tionsverstärker 3 und einem Gegenkopplungskondensa- tor 4 bestehenden Miller-Integrator 5 aufweisen. Der Ausgang 6 des Miller-Integrators 5 ist über einen Schwellenschalter 7 an den Eingang 8 eines als monostabiler Multivibrator ausgebildeten Zeitgliedes 9 angeschlossen, dessen Ausgang 10 einerseits einen Stromgenerator 11 steuert und andererseits mit einem Eingang 12 bzw. 13 einer Koinzidenzschaltung 14 unmittelbar verbunden ist.
Der Stromgenerator 11 ist an den Summenpunkt 15 des Operationsverstärkers 3 angeschlossen und bildet zusammen mit dem monostabilen Mutlivibrator 9 einen Ladungsmengenkompensator 16. Dem Summenpunkt 15 ist ferner ein Eingangsstrom Il bzw. I2 zugeführt, welcher z. B. ein Abbild des Stromes bzw. der Spannung eines elektrischen Verbrauchers sein kann.
Ein Abtastoszillator 17, welcher eine Abtastimpulsfolge mit konstanter Impulsfrequenz f"und sehr kleiner Impulsbreite liefert, ist an einen Eingang 18 der Koinzidenzschaltung 14 angeschlossen, deren Ausgang 19 mit einem Impulszähler 20 verbunden ist.
Die Arbeitsweise der Analog-Digitalwandler 1 und 2 kann als bekannt vorausgesetzt werden. Der Eingangsstrom I, bzw. I ; ; lädt den Kondensator 4 auf.
Sobald die Kondensatorspannung den Schwellwert des Schwellenschalters 7 erreicht, spricht dieser an und triggert den monostabilen Multivibrator 9. Der Multivibrator 9 gibt einen Impuls mit der Impulsbreite T. ab.
Während der Dauer dieses Impulses entzieht der Stromgenerator 11 dem Summenpunkt 15 einen konstanten Strom IoX wodurch die Ladung des Kondensators 4 um den Betrag I"To abgebaut wird. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.
Für die Frequenz f, bzw. 2 der vom monostabilen Mutlivibrator 9 des Analog-Digitalwandlers 1 bzw. 2 abgegebenen Impulsfolge gilt die bekannte Beziehung ."
Il 12 f1=Iot.Tot $2=Io2.To2 wobei die Indizes 1 und 2 auf den entsprechenden Analog-Digitalwandler hinweisen.
Am Ausgang 19 der Koinzidenzschaltung 14 erscheinen statistisch verteilte Impulse, für deren mittlere Frequenz f die bekannte Gleichung f=. fr-f. gilt, worin 4, die Impulsbreite der Impulse am Eingang 12 und b, die Impulsbreite der Impulse am Eingang 13 bedeutet.
Weil die von den Analog-Digitalwandlern 1 und 2 erzeugten Impulsfolgen der Koinzidenzschaltung 14 unmittelbar zugeführt sind, ist 8, = T", und 82 = Tory.
Somit ergibt sich die Beziehung ¯ Il I2 f=-.-.fs.
I"Io2
Die mittlere Ausgangsfrequenz f ist also dem Produkt I, I proportional und von der Impulsbreite T" des monostabilen Multivibrators 9 unabhängig. Das bedeutet aber, dass an die Genauigkeit der Impulsbreite To bzw. der Zeitkonstante des monostabilen Nlultivibrators keine besonderen Anforderungen gestellt sind. Durch Einflüsse der Alterung oder der Umgebungstemperatur verursachte Abweichungen der Impulsbreite T. von z. B. 20 lao vom Sollwert sind auch bei Präzisionsmessungen ohne weiteres zulässig.
In der Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild eines Analog Digitalwandlers 21 dargestellt, welcher sich von demjenigen nach der Fig. 1 nur dadurch unterscheidet, dass das Zeitglied durch einen Flip-Flop 22 und einen Impulsgenerator 23 gebildet ist. Ein Triggereingang 24 des Flip-Flops 22 ist an den Impulsgenerator 23 und ein Vorbereitungseingang 25 an den Schwellenschalter 7 angeschlossen. Ein Ausgang 26 des Flip-Flops 22 bildet den Ausgang des Zeitgliedes.
Der beschriebene Analog-Digitalwandler 21 arbei- tet wie folgt : Der Eingangsstrom I, wird im Kondensator 4 integriert. Bei kleiner Kondensatorspannung befindet sich der Schwellenschalter 7 im nicht angespro- chenen Zustand, und am Vorbereitungseingang 25 liegt ein Sperrsignal, welches den Flip-Flop 22 daran hindert, auf die vom Impulsgenerator 23 abgegebenen Impulse mit der Frequenz f. bzw. der Periodendauer
1
To- fo anzusprechen. Der Flip-Flop 22 wird beim Ansprechen des Schwellenschalters 7 freigegeben und kippt beim nächsten vom Impulsgenerator 23 abgegebenen Impuls um.
Der Stromgenerator 11 wird eingeschaltet und entzieht dem Kondensator 4 einen konstanten Strom I". Beim nachfolgenden am Triogerein- gang 24 erscheinenden Impuls kippt der Flip-Flop 22 in den ursprünglichen Zustand zurück, da der Schwel lenschalter 7 infolge der Entladung des Kondensators 4 inzwischen ebenfalls zurückgekippt ist. Der Stromgenerator 11 wird wieder ausgeschaltet und der Vorgang beginnt von neuem.
In der Fig. 3 bedeutet 27 einen Analog-Digital- wandler, der sich von demjenigen nach der Fig. 2 dadurch unterscheidet, dass ein weiterer Schwellenschalter 7a und ein weiterer Ladungsmengenkompensa- tor 16a angeordnet ist. Die Flip-Flop 22 und 22a werden vom gleichen Impulsgenerator 23 getriggert. Die Teile 7 und 16 arbeiten bei positivem Eingangsstrom I, und die Teile 7a und 16a bei negativem Eingangsstrom. Der Kompensationsstrom L, des Ladungsmen- genkompensators 16 ist positiv, derjenige des Ladungs mengenkompensators 16a negativ. Dioden 28 und 28a verhindern eine gegenseitige Beeinflussung der Stromgeneratoren 11 und 11 a.
Die Ausgangssignale der Flip-Flop 22 und 22a sind iiber ein Oder-Tor 29 an einen Eingang 30 einer Koinzidenzschaltung 31 geführt, deren Ausgang 32 mit einem Impulszähler 33 verbunden ist.
Die Eingangsgrösse I2 wird von einem nicht näher dargestellten Strom-Frequenzwandler 34 in eine Impulsfolge mit der Impulsfrequenz f2 und mit gegen über der Impulsbreite To sehr kleine Impulsbreite umgewandelt. Diese Impulsfolge ist einem Eingang 35 der Koinzidenzschaltung 31 zugeführt.
Der Impulszähler 33 besitzt einen an eine nicht gezeichnete Logikschaltung angeschlossenen Befehlsein- gang 36 zur Steuerung der Zählrichtung in Abhängig- keit vom Vorzeichen des Produktes I, I2.
Am Ausgang 32 der Koinzidenzschaltung 31 erscheinen statistisch verteilte Impulse, deren mittlere Frequenz f die bekannte Gleichung 1--fi-f, erfüllt. Mit
1 öi T.- fo und 2 = k I2 (k = Konstante) folgt -il f= =--k I,- ¯ Io
Die Ausgangsfrequenz f ist also auch bei dieser Ausführungsvariante unabhängig von der Impulsbreite To.
Abwandlungen der hier mitgeteilten technischen Gegebenheiten sind in weiten Grenzen möglich. So können zum Beispiel auch die Analog-Digitalwandler 1 und 2 in analoger Weise wie der Wandler 27 mit einem weiteren Ladungsmengenkompensator ausgerü- stet werden, der bei negativer Multiplikationsgrösse arbeitet. Ferner können beispielsweise an die Eingänge 12 und 13 der Koinzidenzschaltung 14 (Fig. 1) je ein Analog-Digitalwandler 27 (Fig. 3) angeschlossen werden.