CH636485A5

CH636485A5 - Signal generator for generating sinusoidal output signals with predetermined mutual phase angle, and use thereof as three-phase generator for calibrating electricity meters

Info

Publication number: CH636485A5
Application number: CH692078A
Authority: CH
Inventors: Mathis Halder
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1978-06-26
Filing date: 1978-06-26
Publication date: 1983-05-31
Also published as: FR2430131A3; DE2831734C3; DE2831734A1; DE2831734B2; FR2430131B3

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Signalgenerator zur Erzeugung sinusförmiger Ausgangssignale mit vorbestimmter gegenseitiger Phasenlage, mit einem von einem Taktgeber gesteuerten Zahlengenerator, einem Funktionsgeber und mindestens einem Digital/Analog-Wandler, wobei der Zahlengenerator binär kodierte Phasen-schrittsignale an den Funktionsgeber abgibt, die vom Funktionsgeber in binär kodierte Momentanwertsignale und vom Digital/Analog-Wandler in ein Analogsignal umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahlengenerator (10 bis 16) zur zyklischen Erzeugung von jedem der Ausgangssignale (UR; IR; Us; Is; Uj! It) zugeordneten Phasenschrittsi-gnalen (Ph) eingerichtet ist, dass jedem Ausgangssignal (UR; IR; Us; Is; UT; IT) ein an den Digital/Analog-Wandler (18) oder an den Funktionsgeber (17) angeschlossener Speicher (19 bis 24; 39 bis 44) zugeordnet ist und dass ein an den Taktgeber (37) angeschlossener Taktverteiler (38) zum zyklischen Takten der Speicher (19 bis 24; 39 bis 44) angeordnet ist.

2. Signalgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher (19 bis 24) Abtast-Halte-Schaltungen sind und dass der Digital/Analog-Wandler (18) sämtlichen Ausgangssignalen (UR; IR; Us; Is; UT; IT;) gemeinsam zugeordnet ist.

3. Signalgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher (39 bis 44) digitale Schreib-Lese-Spei-cher sind und dass jedem Speicher (39 bis 44) ein Digital/ Analog-Wandler (45 bis 50) nachgeschaltet ist.

4. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahlengenerator (10 bis 16) aus mindestens einem Winkeleingabeglied (10; 11), einem Addierglied (14) und einem Akkumulator (16) besteht, wobei das Winkeleingabeglied (10; 11) an einen ersten (13) und der Ausgang des Akkumulators (16) an einen zweiten Eingang (15) des Addiergliedes (14) angeschlossen ist und der Ausgang des Addiergliedes (14) mit dem Eingang des Akkumulators (16) verbunden ist.

5. Signalgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Winkeleingabeglieder (10; 11) über einen vom Taktgeber (37) gesteuerten Schalter (12) an den ersten Eingang (13) des Addiergliedes (14) angeschlossen sind.

6. Signalgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzspannungseingang (39) des Digital/ Analog-Wandlers (18) über einen vom Taktverteiler (38) gesteuerten Mehrfachumschalter an mindestens zwei einstellbare Referenzspannungsquellen anschliessbar ist.

7. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch drei über je ein Tiefpassfilter (25; 27; 29) an einen der Speicher (19; 21 ; 23) oder einen der Digital/ Analog-Wandler (45 ; 47 ; 49) angeschlossene Spannungsverstärker (31 ; 33 ; 35) zur Erzeugung eines Spannungsdreiecks und durch drei über je ein Tiefpassfilter (26; 28; 30) an einen der Speicher (20; 22; 24) oder einen der Digital/Analog-Wandler (46; 48; 50) angeschlossene Stromverstärker (32; 34; 36) zur Erzeugung eines Stromdreiecks.

8. Signalgenerator nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsverstärker (31 ; 33; 35) und die Stromverstärker (32; 34; 36) an ein Effektivwertmessgerät angeschlossen sind, dessen Ausgangssignal die Referenzspannungsquellen steuert.

9. Signalgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Spannungsverstärker (31 ; 33 ; 35) und ein Stromverstärker (32; 34; 36) an ein Phasenwinkelmessgerät angeschlossen sind, dessen Ausgangssignal das Winkeleingabeglied (10) steuert.

10.'Verwendung des Signalgenerators nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Dreiphasenspannungs- und Dreiphasen-stromgenerator zur Eichung von Elektrizitätszählern.

Es ist ein Signalgenerator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics, March 1971, S. 48-57), der zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale erzeugt. Als Funktionsgeber dient ein Rechner mit einem ROM-Speicher und als Zahlengenerator ein Akkumulator. Bei jedem durch den Zahlengenerator markierten Phasenschritt werden im Rechner gleichzeitig der zugehörige Sinuswert und Cosinuswert berechnet und an je einen Digital/Analog-Wandler ausgegeben. Diese Lösung erfordert einen aufwendigen Funktionsgeber.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Signalgenerator zu schaffen, der sich durch einen einfacheren Schaltungsaufbau auszeichnet.

Mit dem Signalgenerator nach der Erfindung wird ein einfacherer Aufbau des Funktionsgebers erreicht. Der technische Aufwand ist insbesondere dann verhältnismässig gering, wenn eine grössere Anzahl von Ausgangssignalen zu erzeugen sind.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Signalgenerators,

Fig. 2 ein Diagramm und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines weiteren Signalgenerators.

Der in der Fig. 1 dargestellte Signalgenerator erzeugt drei um jeweils 120° gegeneinander phasenverschobene Wechselspannungen UR; Us und UT sowie drei um jeweils 120° gegeneinander phasenverschobene Wechselströme IR, Is und Ix. Das Stromdreieck IR, Is, Ijist gegenüber dem Spannungsdreieck UR, Us, UT um den Phasenwinkel <p verschoben, der an einem Winkeleingabeglied 10 vorwählbar ist und von diesem in binär kodierter Form ausgegeben wird. Ein zweites Winkeleingabeglied 11 gibt im dargestellten Beispiel einen Winkelwert von 121° in ebenfalls binär kodierter Form aus. Je nach der Stellung eines Schalters 12, der in der Zeichnung symbolisch dargestellt ist und aus mehreren Gattern entsprechend der Bitzahl der binär kodierten Winkelwerte bestehen kann, ist entweder das Winkeleingabeglied 10 oder das Winkeleingabeglied 11 an einen ersten Eingang 13 eines Addiergliedes 14 angeschlossen, dessen zweiter Eingang 15 mit dem Ausgang eines Akkumulators 16 verbunden ist und dessen Ausgang einerseits an den Eingang des Akkumulators 16 und andererseits an den Eingang eines Funktionsgebers 17 geschaltet ist. Dem Funktionsgeber 17 ist ein Digital/Analog-Wandler 18 nachgeschaltet, der ausgangsseitig mit den Speichereingängen von sechs Abtast-Halte-Schaltungen (sample and hold circuits) 19 bis 24 verbunden ist. An jede der Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24 ist ein Tiefpässfilter 25 bis 30 angeschlossen, dem jeweils ein Verstärker 31 bis 26 nachgeschaltet ist. Die Verstärker 31, 33 und 35 sind Spannungsverstärker und geben die Ausgangsspannung UR bzw. Us bzw. UT ab. Die als Stromverstärker arbeitenden Verstärker 32, 34 und 36 liefern den Ausgangsstrom IR bzw. Is bzw. IT.

Ein Taktgeber 37 erzeugt Taktimpulse mit der Frequenz fo. Diese gelangen zu einem Taktverteiler 38, der einerseits mit Taktimpulsen der Frequenz fs = fo/2 den Akkumulator 16 taktet und den Schalter 12 steuert und andererseits Taktsignale fi bis f« mit der Frequenz fo/6 an die Takteingänge der Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24 abgibt, wodurch diese zyklisch getaktet werden.

Der Akkumulator 16 und das Addierglied 14 bilden zusammen mit den Winkeleingabegliedern 10 und 11 und dem Schalter 12 einen Zahlengenerator, der binär kodierte Phasen-schrittsignale Ph an den Funktionsgeber 17 abgibt, die vom Funktionsgeber 17 in binär kodierte Momentanwertsignale und vom Digital/Analog-Wandler 18 in ein Analogsignal umgeformt werden. Der Zahlengenerator erzeugt, wie weiter unten näher erläutert wird, für jedes der Ausgangssignale UR,

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Us* Is, Ut und IT in zyklischer Reihenfolge Phasenschrittsi-gnale Ph, die vom Funktionsgeber 17 in binär kodierte Momentanwertsignale und vom Digital/Analog-Wandler 18 in ein entsprechendes, zu einer Referenzspannung Urer proportionales Analogsignal umgeformt und in den zugeordneten Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24 in analoger Form bis zum nächsten Zyklus gespeichert werden. Der Funktionsgeber 17 gibt also innerhalb jedes Phasenschrittes nur einen Momentanwert aus und kann dementsprechend einfach aufgebaut sein. Vorzugsweise eignet sich als Funktionsgeber 17 ein ROM-Speicher, in dem zu jedem auftretenden Phasenschrittsi-gnal der zugehörige Momentanwert der Sinusfunktion gespeichert ist. Da nur die Sinusfunktion des 1. Quadranten in den ROM-Speicher eingeschrieben werden muss und die Sinuswerte der drei anderen Quadranten durch Spiegelung des 1. Quadranten gewonnen werden können, genügt eine verhältnismässig geringe Speicherkapazität.

Im folgenden wird anhand des Diagramms der Fig. 2 die Arbeitsweise des beschriebenen Signalgenerators im einzelnen erläutert. In der Fig. 2 sind mit den Zahlen 0 bis 7 einzelne Phasenschritte bezeichnet. Die verschiedenen Taktsignale sind wiederum mit fo, fs und fi bis fó bezeichnet. Aus der mit S bezeichneten Zeile ist die Stellung des Schalters 12 bei den einzelnen Phasenschritten ersichtlich. In der Zeile Ph ist der jeweilige Wert des Phasenschrittsignals Ph am Ausgang des Addiergliedes 14 und in der Zeile A der jeweils im Akkumulator 15 eingespeicherte Wert eingetragen.

Zum leichteren Verständnis sei vorerst angenommen, dass sich der Schalter 12 dauernd in der Stellung 121° befindet. Durch einen Taktimpuls des Taktsignals fs beim Phasenschritt 1 nimmt das Phasenschrittsignal Ph den Wert 0° an, dieser Wert wird in den Akkumulator 16 eingespeichert, der Funktionsgeber 17 bildet den zugehörigen Sinuswert in binär kodierter Form und der Digital/Analog-Wandler 18 in analoger Form, am Takteingang des Abtast-Halte-Speichers 19 erscheint ein Taktimpuls des Taktsignals fi und der der Ausgangsspannung UR zugeordnete Analogwert wird in die Abtast-Halte-Schaltung 19 eingespeichert. Beim nächsten Taktimpuls des Taktsignals fs, d.h. beim Phasenschritt 3, wird im Addierglied 15 der Wert 121° des Winkeleingabegliedes 11 zum alten Wert 0° des Akkumulators 16 addiert, der neue Wert 121° wird in den Akkumulator 16 übernommen und der entsprechende, der Ausgangsspannung Us zugeordnete Sinuswert in die Abtast-Halte-Schaltungen 21 eingespeichert. Beim Phasenschritt 5 wird der der Ausgangsspannung UT zugeordnete Sinuswert von 242° in die Abtast-Halte-Schaltung 23, beim Phasenschritt 7 der der Ausgangsspannung UR zugeordnete Sinuswert von 363° =3° in die Abtast-Halte-Schaltungen 19 eingespeichert usw.

Betrachtet man die Bildung beispielsweise der Ausgangsspannung UR für sich allein, so scheint es, dass der Zahlengenerator nichts anderes tun würde als bei jedem sechsten Phasenschritt den Wert des Phasenschrittsignals Ph um 3° zu erhöhen. Für jede Ausgangsspannung UR, Us und UT arbeitet also der Zahlengenerator als eigener Dreieck-Zahlengenerator Am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltungen 19, 21 und 23 erscheinen treppenförmige Ausgangsspannungen, die eine Sinuskurve annähern und gegeneinander um jeweils genau 120° phasenverschoben sind. Mit den Tiefpassfiltern 25, 27 und 29 werden die treppenförmigen Ausgangsspannungen geglättet und mit den Spannungsverstärkern 31, 33 und 35 auf den erforderlichen Wert verstärkt.

Die den Ausgangsströmen IR, Is, und IT zugeordneten Sinuswerte werden jeweils beim nächsten Phasenschritt nach der Berechnung des Sinuswertes der Ausgangsspannung UR, Us oder UT der entsprechenden Phase gebildet, also bei den Phasenschritten 0, 2,4, 6... Im dargestellten Beispiel wechselt der Schalter 12 beim Phasenschritt 2 in die Stellung <p, das

Addierglied 12 führt die Addition 0° + (p aus, das Phasenschrittsignal Ph nimmt also den Wert <p an, der Funktionsgeber 17 gibt den zugehörigen Sinuswert aus, am Takteingang der Abtast-Halte-Schaltung 20 erscheint ein Taktimpuls des Taktsignals fi und der am Ausgangsstrom IR zugeordnete Analogwert wird in die Abtast-Halte-Schaltung 20 eingespeichert. Am Takteingang des Akkumulators 16 erscheint beim Phasenschritt 2 kein Taktimpuls des Taktsignals fs, so dass der Wert cp nicht in den Akkumulator 16 eingespeichert wird. Beim Phasenschritt 4, wird, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, der dem Ausgangsstrom Is zugeordnete Sinuswert von 121° +<p in die Abtast-Halte-Schaltung 22, beim Phasenschritt 6 der dem Ausgangsstrom IT zugeordnete Sinuswert von 242° +<p in die Abtast-Halte-Schaltung 24 eingespeichert usw. Die so entstehenden treppenförmigen Ausgangsspannungen der Abtast-Halte-Schaltungen 20, 22 und 24 werden mit den Tiefpassfiltern 26,28 und 30 geglättet und mit den Stromverstärkern 32, 34 und 36 in entsprechende Ströme der erforderlichen Stärke umgeformt.

Der beschriebene Signalgenerator bildet also ein Spannungsdreieck UR, Us, UT und ein Stromdreieck IR, Is, Ij, die sich im Gegenuhrzeigersinn drehen und um den Winkel cp gegeneinander verdreht sind. Obwohl der Zahlengenerator Schritte von 121° und nicht von 120° ausführt, sind die Dreiecke genau gleichseitig, da die Abtastung des zugehörigen Sinuswertes entsprechend später erfolgt. Infolge der verzögerten Abtastung der Sinuswerte der Ausgangsströme IR, Is und IT gegenüber den Sinuswerten der zugeordneten Ausgangsspannungen UR, Us und UT ist das Stromdreieck gegenüber dem Spannungsdreieck nicht um den Winkel (p, sondern im beschriebenen Beispiel um den Winkel <p-0,5° verdreht. Diesem Umstand ist bei der Vorwahl des Winkel (p im Winkeleingabeglied 10 Rechnung zu tragen.

Der genannte Winkel wert von 121° des Winkeleingabegliedes 11 ist lediglich als Beispiel zu verstehen und richtet sich nach der gewünschten Feinheit der Treppenkurve der Analogsignale am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24. Selbstverständlich kann der Winkel wert des Winkeleingabegliedes 11 auch kleiner als 120° sein, so dass die Spannungsund Stromdreiecke im Uhrzeigersinn drehen. In einem binären 8-Bit-System wird dieser Winkelwert vorzugsweise durch die Binärzahl 01010101 dargestellt, was einem Winkel von 360°-85/256 « 119,5° entspricht.

Im dargestellten Beispiel weist der Digital/Analog-Wandler 18 einen Referenzspannungseingang 39 auf, der an eine Referenzspannungsquelle Uref angeschlossen ist. Das Analogsignal am Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 18 ist zur Referenzspannung proportional, so dass durch Veränderung der Referenzspannung die Amplitudenwerte sämtlicher Ausgangsspannungen und Ausgangsströme gemeinsam beein-flusst werden können. Ist der Referenzspannungseingang 39 über einen vom Taktverteiler 38 gesteuerter Mehrfachumschalter an mehrere einstellbare Referenzspannungsquellen anschliessbar, so können die Amplitudenwerte der Ausgangsspannungen UR, Us und UT und jene der Ausgangsströme IR, Is und Ij unabhängig voneinander durch Veränderung der Referenzspannungen eingestellt werden. Hierbei ist eine selbsttätige Nachregelung der Ausgangssignale aufgrund ihrer Effektivwerte möglich, wenn die Spannungsverstärker 31, 33 und 35 sowie die Stromverstärker 32,34 und 36 an ein Effek-tivwertmessgerät angeschlossen sind, dessen Ausgangssignal die Referenzspannungsquellen steuert. Auch eine selbsttätige Nachregelung der Phasenwinkel ist möglich, indem jeweils ein Spannungsverstärker 31, 33, 35 und ein Stromverstärker 32, 34, 36 der gleichen Phase an ein Phasenwinkelmessgerät angeschlossen wird, dessen Ausgangssignal das Winkeleingabeglied 10 steuert.

In der Fig. 3 weisen gleiche Bezugszeichen wie in der

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Fig. 1 auf gleiche Teile hin. Anstelle der Abtast-Halte-Schal-tungen 19 bis 24 (Fig. 1) weist der Signalgenerâtor nach der Fig. 3 digitale Schreib-Lese-Speicher (RAM) 39 bis 44 auf, deren Speichereingänge an den Funktionsgeber 17 und deren Takteingänge an den Taktverteiler 38 angeschlossen sind. Jedem der Schreib-Lese-Speicher 39 bis 44 ist ein Digital/ Analog-Wandler 45 bis 50 nachgeschaltet, dessen Ausgang jeweils zu einem der Tiefpassfilter 25 bis 30 führt.

Der Signalgenerator nach der Fig. 3 ist im Vergleich zu jenem nach der Fig. 1 etwas aufwendiger, zeichnet sich jedoch durch den Vorteil aus, dass die Arbeitsgeschwindigkeit der Digital/Analog-Wandler 45 bis 50 weniger hoch sein muss als diejenige des Digital/Analog-Wandlers 18.

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Die Digital/Analog-Wandler 45 bis 50 besitzen vorteilhaft Referenzspannungseingänge zum Anschluss einer Referenzspannung, mit der die Amplitudenwerte der Ausgangsspannungen und Ausgangsströme eingestellt bzw. geregelt werden

5 können. Ferner ist es vorteilhaft, dem Funktionsgeber 17 ein Addierglied vorzuschalten, das gestattet, zum Phasenschrittsi-gnal Ph ein Winkelsignal zu addieren, um so den Phasenwinkel der Ausgangsspannungen und Ausgangsströme zusätzlich zu beeinflussen bzw. nachzuregeln.

10 Vorteilhaft werden die beschriebenen Signalgeneratoren als Dreiphasenspannungs- und Dreiphasentromgenerator zur Eichung von Elektrizitätszählern verwendet.

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2 Blatt Zeichnungen