DE1163446B

DE1163446B - Circuit arrangement for digital measurement of the phase angle between two oscillations of the same frequency

Info

Publication number: DE1163446B
Application number: DEA39849A
Authority: DE
Inventors: Marcel Hossmann
Original assignee: Siemens Albis AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 1961-06-01
Filing date: 1962-03-30
Publication date: 1964-02-20

Description

Schaltungsanordnung zur digitalen Messung des Phasenwinkels zwischen zwei gleichfrequenten Schwingungen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung des Phasenwinkels zwischen zwei gleichfrequenten Schwingungen. Ein bistabiler Multivibrator wird dabei durch einen die Phasenlage der ersten Schwingung kennzeichnenden Impuls in den leitenden und durch den ersten folgenden, die Phasenlage der zweiten Schwingung kennzeichnenden Impuls in den gesperrten Zustand geschaltet. Während des leitenden Zustandes wird ein Meßtor geöffnet, das eine hochfrequente Impulsfolge auf einen Zähler leitet.Circuit arrangement for digital measurement of the phase angle between two oscillations of the same frequency The present invention relates to a circuit arrangement for digital measurement of the phase angle between two oscillations of the same frequency. A bistable multivibrator is the phase position of the first oscillation characteristic impulse in the conducting and through the first following, the phase position the pulse characterizing the second oscillation is switched to the blocked state. During the conductive state, a measuring gate is opened, which is a high-frequency Pulse train forwards to a counter.

Diese bekannte Einrichtung liefert im allgemeinen genaue Resultate. Für die Messung des Phasenwinkels zwischen zwei Schwingungen, die infolge Unregelmäßigkeiten statistische Streuungen aufweisen, genügt eine'einfache Messung nicht mehr. Durch mehrfache Wiederholung der Messung und Addition der Meßresultate gleichen sich die Streuungen aus. This known device generally gives accurate results. For measuring the phase angle between two oscillations caused by irregularities show statistical scatter, a simple measurement is no longer sufficient. By multiple repetitions of the measurement and addition of the measurement results are the same Scatter.

Das Resultat läßt sich auf zwei Arten ermitteln. Ist die Anzahl der Wiederholungen stets dieselbe, so ist die Summe aller Resultate das Äquivalent einer Messung mit einer höheren Impulsfrequenz. Das zweite Verfahren sieht eine beliebige Anzahl Messungen vor. Das erhaltene summierte Resultat muß jedoch durch die Zahl der Messungen geteilt werden, um das arithmetische Mittel zu bilden.The result can be determined in two ways. Is the number of If repetitions are always the same, the sum of all results is the equivalent of one Measurement with a higher pulse frequency. The second method sees any Number of measurements before. The summed result obtained, however, must be replaced by the number of the measurements are divided to form the arithmetic mean.

Die Zahl der Messungen ist nicht beschränkt, das Resultat wird jedoch mit steigender Zahl der Messungen genauer. Beide Meßverfahren weisen den Nachteil auf, daß Phasenwinkel, deren Beträge nahezu 2 z oder 0 entsprechen, bei unregelmäßigen Schwingungen das eine Mal etwas unter 2 z und das andere Mal etwas über 2 z ergeben. Mit einem Zahlenbeispiel kann eine erste Messung 3590 und eine zweite Messung 10 entsprechen und der arithmetische Mittelwert ergibt 1800 an Stelle von 3600. The number of measurements is not limited, but the result will be more accurate as the number of measurements increases. Both measuring methods have the disadvantage on that phase angles, the magnitudes of which almost correspond to 2 z or 0, in the case of irregular Oscillations one time slightly below 2 z and the other time slightly above 2 z. With a numerical example, a first measurement 3590 and a second measurement 10 and the arithmetic mean is 1800 instead of 3600.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, bei einer eingangs beschriebenen Schaltungsanordnung diese Nachteile zu beheben, indem Mittel vorgesehen sind, die die Messung selbsttätig mehrfach wiederholen, und aus diesen Messungen selbsttätig das arithmetische Mittel bilden, wobei zur Verhinderung von Meßfehlern infolge Streuungen bei sehr kleinen bzw. sehr großen Phasenwinkeln eine Phasenvergleichsschaltung einen astabilen Multivibrator steuert, der die Einleitung des gesperrten Zustandes des bistabilen Multivibrators bis zum Eintreffen des von der zweiten Schwingung abgeleiteten zweiten folgenden Impulses bzw. die Einleitung des leitenden Zustandes desselben bis zum Eintreffen des von der ersten Schwingung abgeleiteten zweiten folgenden Impulses verzögert. The purpose of the present invention is in one described in the opening paragraph Circuit arrangement to remedy these disadvantages by means are provided that repeat the measurement automatically several times, and from these measurements automatically form the arithmetic mean, in order to prevent measurement errors due to scatter a phase comparison circuit is used for very small or very large phase angles astable multivibrator controls the initiation of the locked state of the bistable multivibrator until the arrival of the one derived from the second oscillation second following pulse or the initiation of the conductive state of the same until the arrival of the second following one derived from the first oscillation Impulse delayed.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt F 1 g. 1 das Blockschema der Schaltungsanordnung, F i g. 2 einen bistabilen Multivibrator, dessen Schaltphasen mit einem astabilen Multivibrator veränderbar sind, und F i g. 3 und 4 je ein Und-Gatter, F 1 g. 5 ein Oder-Gatter, Fig. 6 bis 10 Impulsdiagramme. The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. F 1 shows g. 1 shows the block diagram of the circuit arrangement, FIG. 2 a bistable Multivibrator whose switching phases can be changed with an astable multivibrator are, and F i g. 3 and 4 each have an AND gate, F 1 g. 5 an OR gate, Fig. 6 to 10 pulse diagrams.

Die Schwingungen S1 und S2 der Fig. 1, zwischen denen der Phasenwinkel zu bestimmen ist, werden nach einem bekannten Verfahren umgeformt. Die Umformung ergibt in den Nulldurchgängen der Schwingungen Impulse, die einen bistabilen Multivibrator steuern, bei dem die Dauer des leitenden Zustandes ein Maß für den Phasenwinkel ist. The oscillations S1 and S2 of FIG. 1, between which the phase angle is to be determined are reshaped according to a known method. The reshaping in the zero crossings of the vibrations results in pulses that create a bistable multivibrator control, in which the duration of the conductive state is a measure of the phase angle is.

Die Signalflußrichtung ist im Blockschema durch die folgenden Zeichen angedeutet: Pfeile, die die Schaltungsblöcke berühren, zeigen die Verwendung von Impulsflanken an und Pfeile, die frei auf der Verbindungslinie zwischen zwei Blöcken liegen, stellen die Verwendung der Impulspotentiale dar. The signal flow direction is indicated in the block diagram by the following characters indicated: arrows touching the circuit blocks indicate the use of Pulse edges on and arrows that are free on the connecting line between two blocks represent the use of the pulse potentials.

Die Schwingungen S1 und S2 werden in Begrenzerstufen 1, 2 begrenzt. Ein Verstärker 3, 4 verstärkt diese Signale und leitet sie auf ein Differenzierglied 5, 6, wodurch in den Nulldurchgängen der ursprünglichen Schwingungen S1 und S2 Impulse erzeugt werden. Ein bistabiler Multivibrator 7, 8 wird durch diese Impulse geschaltet und erzeugt Rechteckspannungen. In einer Stufe 9, 10 werden die Rechteckspannungen differenziert. Ein Gleichrichter 11, 12 läßt nur die positiven Impulse durch, die den bistabilen Multivibrator 13 steuern. The vibrations S1 and S2 are limited in limiter levels 1, 2. An amplifier 3, 4 amplifies these signals and routes them to a differentiator 5, 6, whereby in the zero crossings of the original oscillations S1 and S2 pulses be generated. A bistable multivibrator 7, 8 is through this Pulses switched and generated square-wave voltages. In a stage 9, 10 the Differentiated square-wave voltages. A rectifier 11, 12 only allows the positive ones Pulses that control the bistable multivibrator 13.

Im angeführten Beispiel wird der relative Phasenwinkel der Schwingung S2 in bezug auf die Schwingung S1 gemessen. Damit muß der bistabile Multivibrator 13 durch einen Impuls der Schwingung S1 in den leitenden und durch einen Impuls der Schwingung S, in den gesperrten Zustand gebracht werden. In the example given, the relative phase angle of the oscillation is S2 measured with respect to the vibration S1. So the bistable multivibrator must 13 by a pulse of oscillation S1 in the conductive and by a pulse the oscillation S, are brought into the locked state.

Das An- und Abschalten der Messung wird von einem Und-Gatter 14 besorgt, das während der Dauer eines positiven Potentials an einem der Eingänge die Impulse am anderen Eingang weiterleitet.The switching on and off of the measurement is taken care of by an AND gate 14, that for the duration of a positive potential at one of the inputs, the pulses forwards at the other entrance.

Mit dem im leitenden Zustand positiven Ausgang des bistabilen Multivibrators 13 wird ein Meßtor 15 gesteuert, das hochfrequente Impulszüge auf einen elektronischen Impulszähler 16 leitet. Diese Impulszüge werden von einer in einem Rechteckgenerator 17 erzeugten Schwingung über ein Differenzierglied 18 und einen Gleichrichter 19 erzeugt. Der zur Steuerung des Und-Gatters 14 benötigte Potentialsprung wird in einem bistabilen Multivibrator 20 erzeugt. Eine Drucktaste 21 bringt ein positives Potential auf ein Differenzierglied 22, das aus der Anstiegsflanke einen positiven Impuls erzeugt, der dem bistabilen Multivibrator über einen Gleichrichter 23 zugeführt wird. Der Gleichrichter 23 bezweckt die Unterdrückung des negativen Impulses, der beim Loslassen der Drucktaste entsteht. Der Schaltimpuls um den bistabilen Multivibrator 20 in den gesperrten Zustand zu schalten, wird vom bistabilen Multivibrator 13 hergeleitet. Damit jeder Meßvorgang vollständig durchgeführt wird, muß der Schaltimpuls beim Schalten in den gesperrten Zustand des bistabilen Multivibrators 13 erzeugt werden. Im gesperrten Zustand weist der zweite Ausgang desselben ein positives Potential auf, wodurch eine Differenzierstufe 24 aus der Anstiegsflanke einen positiven Impuls erzeugt. Ein Gleichrichter 25 führt diese positiven Impulse auf einen Frequenzteiler 27, der für jeden n-ten Impuls am Eingang einen Ausgangsimpuls abgibt. With the positive output of the bistable multivibrator in the conductive state 13 a measuring gate 15 is controlled, the high-frequency pulse trains to an electronic Pulse counter 16 conducts. These pulse trains are generated by a square wave generator 17 generated oscillation via a differentiating element 18 and a rectifier 19 generated. The potential jump required to control the AND gate 14 is shown in a bistable multivibrator 20 is generated. A push button 21 brings a positive Potential on a differentiator 22, which is a positive from the rising edge A pulse is generated which is fed to the bistable multivibrator via a rectifier 23 will. The rectifier 23 aims to suppress the negative pulse that when the push button is released. The switching pulse around the bistable multivibrator Switching 20 to the locked state is derived from the bistable multivibrator 13. In order for each measuring process to be carried out completely, the switching pulse at Switching into the locked state of the bistable multivibrator 13 can be generated. In the blocked state, the second output of the same has a positive potential on, whereby a differentiating stage 24 from the rising edge a positive pulse generated. A rectifier 25 feeds these positive pulses to a frequency divider 27, which emits an output pulse for every nth pulse at the input.

Dieser Ausgangsimpuls wird wiederum in einer Stufe 27 differenziert. Ein Gleichrichter 28 führt die positiven differenzierten Impulse auf den bistabilen Multivibrator 20, der somit nach n Meßvorgängen in den gesperrten Zustand übergeführt wird. Dieser Schaltvorgang läßt das positive Potential am Und-Gatter 14 abbauen und sperrt dieses.This output pulse is in turn differentiated in a step 27. A rectifier 28 guides the positive differentiated pulses to the bistable Multivibrator 20, which is thus transferred to the locked state after n measuring processes will. This switching process allows the positive potential at AND gate 14 to be reduced and locks this.

Diese Schaltungsanordnung bezweckt die selbsttätige Wiederholung der Messung. Die Zahl der Messungen ist durch das Teilungsverhältnis des Frequenzteilers 26 festgelegt. Der arithmetische Mittelwert wird direkt im Impulszähler 16 gebildet. Sofern die Zahl des Teilungsverhältnisses einem Stellenwert entspricht, der größer ist als 1, im Dezimalsystem 1C und z. B. im Binärsystem 2, d. h. 10, so kann das arithmetische Mittel dadurch gebildet werden, daß alle Stellen des Resultates, deren Stellenwert kleiner ist als der Stellenwert, der gleich dem Teilungsverhältnis ist, nicht zur Anzeige gebracht werden. Der Impulszähler 16 ist beispielsweise für die Speicherung von vier Stellen 1 bis 4 geeignet. Die Meßresultate seien zweistellige Zahlen, und das Teilungsverhältnis des Frequenzteilers 26 sei 100:1 so geben die zwei Stellen 1 und 2 des Impulszählers 16 direkt das arithmetische Mittel aus hundert Messungen. The purpose of this circuit arrangement is automatic repetition the measurement. The number of measurements is given by the division ratio of the frequency divider 26 established. The arithmetic mean value is formed directly in the pulse counter 16. Provided that the number of the division ratio corresponds to a value that is greater is as 1, in the decimal system 1C and z. B. in binary system 2, i. H. 10, so it can arithmetic means are formed in that all digits of the result, their Priority is less than the priority that is equal to the division ratio, not be brought to the display. The pulse counter 16 is for example for Storage of four digits 1 to 4 suitable. The measurement results are two-digit Numbers, and the division ratio of the frequency divider 26 is 100: 1 so give the two digits 1 and 2 of the pulse counter 16 directly the arithmetic mean of one hundred Measurements.

Wie eingangs erwähnt wurde, kann die digitale Auswertung für den Fall, daß die Schwingungen unregelmäßig sind, zu fehlerhaften Resultaten führen. As mentioned at the beginning, the digital evaluation for the If the vibrations are irregular, result in incorrect results.

Daneben können aber auch Fehler auftreten, wenn regelmäßige Schwingungen phasengleich sind oder nur einen kleinen Phasenwinkel aufweisen. Die Fehlerquellen für diese Fälle liegen in der Trägheit der elektronischen Schaltungsmittel. So wird der bistabile Multivibrator 13 bei einem Phasenwinkel von 10 bei einer Periodendauer von 3602 periodisch im Verhältnis der Impulslänge zur Periodenlänge entsprechend 1:360 leitend geschaltet. Der umgekehrte Fall tritt dann auf, wenn der Phasenwinkel z. B. 3590 beträgt, wodurch das obige Verhältnis 359: 360 beträgt. Es ist leicht einzusehen, daß für ein Verhältnis der Arbeitszeit zur Ruhezeit entsprechend 1: 360 schon eine unmeßbar kleine Abweichung der elektronischen Bauteile, sei es durch Alterung oder Temperatureinflüsse, zu fehlerhaften Resultaten führen kann.In addition, errors can also occur if there are regular vibrations are in phase or have only a small phase angle. The sources of error for these cases lie in the inertia of the electronic circuit means. So will the bistable multivibrator 13 at a phase angle of 10 for a period of 3602 periodically in the ratio of the pulse length to the period length accordingly 1: 360 switched conductive. The opposite occurs when the phase angle z. B. 3590, whereby the above ratio is 359: 360. It is easy to see that for a ratio of working time to rest time corresponding to 1: 360 already an immeasurably small deviation of the electronic components, be it through Aging or temperature influences can lead to incorrect results.

Erfindungsgemäß ist eine Phasenvergleichsschaltung P vorgesehen, die den bistabilen Multivibrator 13 derart steuert, daß bei Phasenwinkeln, die kleiner als die zweifache Unregelmäßigkeit plus eine Sicherheit sind, das Schalten in den inversen Zustand um eine ganze Periodendauer verzögert wird. Zur Vereinfachung wird der Bereich der Phasenwinkel, in dem die Verzögerung notwendig ist, mit t bezeichnet. Mit dieser Verzögerung wird das Verhältnis der Impulslänge zur Periodenlänge des bistabilen Multivibrators bei einem Phasenwinkel von 1C entsprechend 361:720. According to the invention, a phase comparison circuit P is provided, which controls the bistable multivibrator 13 in such a way that at phase angles that are smaller than twice the irregularity plus a security are switching to the inverse state is delayed by an entire period. For the sake of simplicity the range of phase angles in which the delay is necessary is denoted by t. With this delay, the ratio of the pulse length to the period length of the bistable multivibrator with a phase angle of 1C corresponding to 361: 720.

Die Steuerung der Phasenvergleichsschaltung P erfolgt aus dem bistabilen Multivibrator 7 bzw. 8. Dabei ist je ein Signal in Phase und je eines in Gegenphase mit der Schwingung S, bzw. S1. Für die erste Entscheidung, ob das Schalten in den leitenden oder das Schalten in den gesperrten Zustand verzögert sein soll, wird ein Impuls in Abhängigkeit der Rechteckspannungen erzeugt, die mit der Schwingung S1 in Phase und mit der Schwingung S., in Gegenphase liegt. Jedes der beiden Signale wird zuerst in einer Stufe 29, 30 differenziert. Ein Gleichrichter 31, 32 läßt nur die positiven Impulse passieren. In einem Und-Gatter 33, 34 wird je ein Impuls mit der Rechteckspannung des andern Signals zusammengeführt. The phase comparison circuit P is controlled from the bistable Multivibrator 7 or 8. One signal is in phase and one is in opposite phase with the oscillation S or S1. For the first decision whether to switch to the conductive or switching to the locked state should be delayed a pulse is generated as a function of the square-wave voltages associated with the oscillation S1 is in phase and with the oscillation S., in opposite phase. Either of the two signals is first differentiated in a stage 29, 30. A rectifier 31, 32 can only the positive impulses happen. In an AND gate 33, 34 there is one pulse each the square wave voltage of the other signal.

Der geleitete Impuls gelangt über ein Oder-Gatter 35 auf ein weiteres Und-Gatter 36, das während der Messung durch den bistabilen Multivibrator 20 gesperrt gehalten wird. Die Ausgangsimpulse gelangen auf einen monostabilen Multivibrator 37, der sie um die dem Phasenwinkel T entsprechende Zeit verzögert.The conducted pulse reaches another via an OR gate 35 AND gate 36, which is blocked by the bistable multivibrator 20 during the measurement is held. The output pulses are sent to a monostable multivibrator 37, which delays it by the time corresponding to the phase angle T.

Die Impulsflanken werden in einer Stufe 38 differenziert, und ein Gleichrichter 39 läßt wiederum die positiven Impulse passieren.The pulse edges are differentiated in a stage 38, and a Rectifier 39 in turn allows the positive pulses to pass.

In einem Und-Gatter 40 werden zwei Rechteckspannungen zusammengeführt, wovon eine in Phase mit der Schwingung S1 und die andere in Gegenphase mit der Schwingung S., liegt. Für die Zeitdauer, in der diese beiden Rechteckspannungen ein positives Potential haben, wird ein Ausgangsimpuls abgegeben, der in einem weiteren Und-Gatter 42 mit dem Impuls aus der Stufe 39 zusammengeführt wird. Bei Zeitkoinzidenz wird der Impuls aus der Stufe 39 auf einen bistabilen Multivibrator 44 geführt, der damit in den gesperrten Zustand geschaltet wird. Two square-wave voltages are brought together in an AND gate 40, one of which is in phase with the oscillation S1 and the other in antiphase with the oscillation S., lies. For the period in which these two square-wave voltages produce a positive Have potential, an output pulse is emitted in another AND gate 42 is merged with the pulse from stage 39. In the event of time coincidence, the pulse from the stage 39 led to a bistable multivibrator 44, which with it is switched to the locked state.

In einem Oder-Gatter 41 werden die beiden Rechteckspannungen, die zu denen, die auf das Und-Gatter 40 geführt sind, in Gegenphase liegen, zusammengeführt Das Oder-Gatter 41 gibt somit am Ausgang für jede positive Rechteckspannung ein positives Potential, das in einem Und-Gatter 43 mit dem Impuls aus der Stufe 39 zusammengeführt wird. Bei Zeitkoinzidenz wird der Impuls aus der Stufe 39 auf den bistabilen Multivibrator 44 geleitet, der damit in den leitenden Zustand geschaltet wird. Der Ausgang, der im leitenden Zustand ein positives Potential aufweist, wird auf einen astabilen Multivibrator geführt, der in der Stufe 13 liegt. Dieser astabile Multivibrator bezweckt während seiner leitenden Phase, daß der ebenfalls in der Stufe 13 liegende bistabile Multivibrator nicht geschaltet werden kann. In an OR gate 41, the two square-wave voltages that to those who are led to the AND gate 40, are in phase opposition, merged That OR gate 41 thus gives a positive at the output for every positive square-wave voltage Potential which is brought together in an AND gate 43 with the pulse from stage 39 will. In the event of a time coincidence, the pulse from stage 39 is sent to the bistable multivibrator 44 passed, which is thus switched into the conductive state. The exit that has a positive potential in the conductive state, is on an astable Multivibrator performed, which is in level 13. This astable multivibrator aims during its conductive phase that the also lying in stage 13 bistable multivibrator cannot be switched.

Das Schaltschema der Stufen 9 bis 14 ist in der F i g. 2 dargestellt. Der zur Steuerung des Meßtors 15 notwendige bistabile Multivibrator besteht aus den Transistoren T 1 und TS mit ihren Lastwiderständen R 13 und R 16, an denen auch die Ausgänge E und F angeschlossen sind. Die Rückkopplung vom Transistor T5 auf den Transistor T 1 wird vom Kondensator C 1 und dem Widerstand R 1 besorgt, die Rückkopplung vom Transistor T 1 auf den Transistor T5 führt über den Kondensator C 6 und den Widerstand R 11. Der Transistor T1 wird vom Eingang B über den Kondensator C 2, den Widerstand R 3 und die Diode G 1 gesteuert. Entsprechend wird der Transistor T 5 vom Eingang A über den Kondensator C5, den Widerstand R 10 und die Diode 0 2 gesteuert. Vom Eingang C wird ein zum Transistor T 5 paralleler Transistor T 3 über einen Widerstand R 6 gesteuert. Die beiden Transistoren T 2 und T4 bilden mit den zeitbestimmenden Gliedern, den Kondensatoren C 3 und C 4 und den Widerständen R 4 und R 8 einen astabilen Multivibrator. Zwischen je einem Kollektor dieser beiden Transistoren und dem davon gesteuerten zeitbestimmenden Glied liegt je eine Diode 0 3 und G4. Der Eingang D ist über die Widerstände R 14 und R 15 auf die Anoden der Dioden G3 und G4 geführt. Die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren T 2 und T4 wird über die Dioden G5 und G6 erzeugt. The switching pattern for stages 9 to 14 is shown in FIG. 2 shown. The bistable multivibrator required to control the measuring gate 15 consists of the transistors T 1 and TS with their load resistors R 13 and R 16, on which also the outputs E and F are connected. The feedback from transistor T5 on the transistor T 1 is worried by the capacitor C 1 and the resistor R 1, the Feedback from transistor T 1 to transistor T5 leads via the capacitor C 6 and the resistor R 11. The transistor T1 is connected to the input B via the capacitor C 2, the resistor R 3 and the diode G 1 controlled. The transistor becomes accordingly T 5 from input A through capacitor C5, resistor R 10 and diode 02 controlled. From the input C, a transistor T 3 parallel to the transistor T 5 is connected controlled by a resistor R 6. The two transistors T 2 and T4 form with the time-determining elements, the capacitors C 3 and C 4 and the resistors R 4 and R 8 an astable multivibrator. Between each of these two collectors Transistors and the time-determining element controlled by them have a diode each 0 3 and G4. The input D is connected to the anodes via the resistors R 14 and R 15 the diodes G3 and G4 led. The base-emitter voltage of the transistors T 2 and T4 is generated via diodes G5 and G6.

Der Transistor T 3 ist bei einem Potential 0 am Eingang C leitend, wodurch der Kollektor des Transistors T5 auf dem Potential + U1 gehalten wird. The transistor T 3 is conductive at a potential 0 at the input C, whereby the collector of the transistor T5 is held at the potential + U1.

Signale am Eingang A können dadurch wohl den Transistor T5 zeitweise sperren, jedoch kann das Kollektorpotential nicht verändert werden. Sobald an die Basis des Transistors T3 ein positives Potential gelegt wird, wird dieser gesperrt, und das Kollektor potential wird durch den Transistor T5 bestimmt.Signals at input A can therefore temporarily affect transistor T5 block, but the collector potential cannot be changed. As soon as the A positive potential is applied to the base of the transistor T3, this is blocked, and the collector potential is determined by the transistor T5.

Ein Impuls am Eingang A wird am Kondensator C 5 und am Widerstand R 10 differenziert, und der positive Impuls wird über die Diode G2 der Basis zugeführt, wodurch dieser Transistor T 5 gesperrt wird.A pulse at input A is generated on capacitor C 5 and on resistor R 10 differentiates, and the positive pulse is fed to the base through diode G2, whereby this transistor T 5 is blocked.

Der Kollektor und damit der AusgangF wird über den Widerstand R 16 auf das Potential 0 gebracht.The collector and thus the output F is via the resistor R 16 brought to the potential 0.

Diese Potentialänderung überträgt sich mit Hilfe des Kondensators C 1 auf die Basis des Transistors T 1.This change in potential is transmitted with the help of the capacitor C 1 to the base of transistor T 1.

Der damit erzeugte negative Impuls bringt diesen Transistor T 1 zum Leiten und den Kollektor und damit den AusgangE auf das Potential + U 1. Die Widerstände R 1 und R 11 halten die Potentiale an den entsprechenden Basen der Transistoren T 1 und T5 fest.The negative pulse thus generated brings this transistor T 1 to Conduct and the collector and thus the output E to the potential + U 1. The resistors R 1 and R 11 hold the potentials at the corresponding bases of the transistors T 1 and T5 fixed.

Eine Potentialänderung am Eingang B wird entsprechend der Anordnung am Eingang A, am Kondensator C2 und am Widerstand R 3 differenziert und der positive Impuls über die Diode G1 auf die Basis des Transistors T 1 geleitet. Über die Kondensatoren C1 und C 6 werden die Transistoren T 1 und T 5 umgesteuert. Der Ausgang E erhält somit das Potential 0 und der AusgangF das Potential + U 1. A change in potential at input B is according to the arrangement at the input A, at the capacitor C2 and at the resistor R 3 differentiated and the positive one Pulse through the diode G1 to the Base of transistor T 1 passed. About the capacitors C1 and C 6, the transistors T 1 and T 5 are reversed. The output E receives thus the potential 0 and the output F the potential + U 1.

Durch Anlegen eines Potentials + U 1 an den Eingange wird dieses bei leitendem Transistor T5 über die Widerstände R14 und R 4 auf den KondensatorC 3 gelegt. Da die Kathode derDiode G 4 in diesem Falle auf das Potentials gelegt ist, kann sich das Potential nicht auf den Kondensator C 4 auswirken. By applying a potential + U 1 to the inputs, this becomes with the transistor T5 conducting, via the resistors R14 and R 4 to the capacitor C. 3 laid. Since the cathode of the diode G 4 is placed at the potential in this case is, the potential cannot affect the capacitor C 4.

Bei Eintreffen eines positiven Impulses an die Basis des Transistors T 5 wird dieser gesperrt. Die Diode G 3 leitet den Potentialsprung von dessen Kollektor über den Widerstand R 4 auf den Kondensator C3. Auf die Basis des Transistors T2 fließt ein Strom, der durch den Widerstand R 4 begrenzt wird. When a positive pulse arrives at the base of the transistor T 5 this is blocked. The diode G 3 conducts the potential jump from its collector via resistor R 4 to capacitor C3. On the base of transistor T2 a current flows which is limited by the resistor R 4.

Der Transistor T 2 wird durch diesen Strom für die Dauer der Ladezeit des Kondensators C3 leitend.The transistor T 2 is through this current for the duration of the charging time of the capacitor C3 conductive.

Der Transistor T 1 kann während dieser Ladezeit den Zustand des bistabilen Multivibrators nicht ändern.The transistor T 1 can be in the bistable state during this charging time Do not change multivibrators.

Der gleiche Vorgang gilt auch für den zweiten Zustand des bistabilen Multivibrators, da die Anordnung des Transistors T4 symmetrisch zur Anordnung des Transistors T 2 aufgebaut ist. The same process also applies to the second state of the bistable Multivibrators, since the arrangement of the transistor T4 is symmetrical to the arrangement of the Transistor T 2 is constructed.

Die Zeitkonstante des Widerstandes R 4 und des Kondensators C 3 einerseits und des Widerstandes R 8 und des Kondensators C 4 andererseits entspricht dem Phasenwinkel T. Schaltimpulse zur Zustandsänderung des bistabilen Multivibrators bei Anlegen eines positiven Potentials am Eingang D können somit während der Zeit t die Potentiale an den Ausgängen E und F nicht ändern. The time constant of the resistor R 4 and the capacitor C 3 on the one hand and the resistor R 8 and the capacitor C 4 on the other hand corresponds to the phase angle T. switching pulses to change the state of the bistable multivibrator when applied a positive potential at input D can thus during time t the potentials do not change at outputs E and F.

Die Fig.3 zeigt die Schaltungsanordnung eines Und-Gatters mit einem Eingang el für Impulse und einem Eingang2 für Rechteckspannungen. Die Stufen 33, 34, 36, 42 und 43 der F i g. 1 sind in der Versuchsaufführung demgemäß aufgebaut worden. 3 shows the circuit arrangement of an AND gate with a Input el for pulses and an input2 for square-wave voltages. Levels 33, 34, 36, 42 and 43 of FIG. 1 are constructed accordingly in the experimental performance been.

Die Kathode der Diode G31 wird über den Widerstand R32 auf das Potential +U1 gebracht, womit sie nur durch ein Potential +U1 am Eingang2 leitend wird. Während dieser leitenden Phase kann ein am Eingang el auftretender positiver Impuls über den Kondensator C31, die Diode G31 und den Kondensator C32 an den Ausgang a gelangen. Mit Hilfe des Widerstandes R 33 wird der Ausgang a auf dem Potential 0 gehalten. Die F i g. 5 zeigt den Aufbau des Und-Gatters 40 der Fig. 1 für die zwei Rechteckspannungen aus den Stufen 7 und 8. Der Widerstand R 51 kann dem Ausgang a das Potential + U 1 nur dann zuführen, wenn die Kathoden beider Dioden G51 und G 52 ebenfalls auf dem Potential + U 1 liegen.The cathode of the diode G31 is raised to the potential via the resistor R32 + U1 brought, with which it is only conductive through a potential + U1 at input2. While this conductive phase can be a positive pulse occurring at the input el the capacitor C31, the diode G31 and the capacitor C32 reach the output a. With the help of the resistor R 33, the output a is held at the potential 0. The F i g. 5 shows the structure of the AND gate 40 of FIG. 1 for the two square-wave voltages from stages 7 and 8. The resistor R 51 can give the output a the potential + U 1 only feed when the cathodes of both diodes G51 and G 52 are also on the potential + U 1.

Der Aufbau der Oder-Gatter der Stufen 35 und 41 der F i g. 1 ist in der F i g. 4 dargestellt. Die Dioden G41 und G42 lassen jedes positive Potential auf den Ausgang a gelangen. Der Widerstand R 41 entlädt den Ausgang a auf das Potential 0. The structure of the OR gates of stages 35 and 41 of FIG. 1 is in FIG. 4 shown. The diodes G41 and G42 leave any positive potential get to exit a. The resistor R 41 discharges the output a to the potential 0.

Die Arbeitsweise der Phasenvergleichsschaltung P gemäß F i g. 1 wird unter Beiziehen der Impulsdiagramme der Fig. 6 bis 10 erläutert. Zur Vereinfachung werden den verschiedenen Spannungen Symbole zugelegt, die aus der Schaltalgebra bekannt sind. Der bistabile Multivibrator 8 erzeugt aus der Schwingung S 1 eine in Phase liegende Reckeckspannung S8 und eine Rechteckspannung SS, die in Gegenphase liegt. Differenzierung dieser Rechteckspannungen und die Verwendung der positiven Impulse werden durch S8' bzw. SW bezeichnet. The mode of operation of the phase comparison circuit P according to FIG. 1 will with reference to the timing diagrams of FIGS. 6-10. For simplification Symbols from switching algebra are added to the various voltages are known. The bistable multivibrator 8 generates one from the oscillation S 1 In-phase rectangular voltage S8 and a rectangular voltage SS that are in antiphase lies. Differentiating these square-wave voltages and using the positive ones Pulses are denoted by S8 'and SW.

Der bistabile Multivibrator 7 erzeugt dementsprechend aus der SchwingungS.) die Spannung S 7 und 57. Die positiven differenzierten Impulse sind mit S7' bzw. 57' bezeichnet. Die Funktion eines Und-Gatters wird mit & und die eines Oder-Gatters mit v bezeichnet. z bedeutet wiederum den Phasenwinkel, für den die Messung verzögert werden muß. In den Diagrammen sind die Rechteckspannungen S7 und 57 zur optischen Unterscheidung gegenüber den Rechteckspannungen S8 und 53 überhöht gezeichnet. Die Ziffern auf der linken Seite bedeuten die Stufenbezeichnung entsprechend F i g. 1, die Symbole rechts der Diagramme geben die algebraische Form der ausgeübten Funktion. The bistable multivibrator 7 accordingly generates from the oscillation S.) the voltage S 7 and 57. The positive differentiated impulses are marked with S7 'resp. 57 '. The function of an AND-gate becomes with & and that of an OR-gate denoted by v. z in turn means the phase angle for which the measurement is delayed must become. In the diagrams, the square-wave voltages S7 and 57 are for optical Differentiation from the square-wave voltages S8 and 53 drawn exaggerated. the Numbers on the left indicate the level designation according to FIG. 1, the symbols to the right of the diagrams indicate the algebraic form of the function being performed.

Die Fig. 6 zeigt Impulsdiagramme für die Entscheidungen aller Stufen in der PhasenvergleichsschaltungP der Fig. 1. Die Spannungen S8 (Fig. 6a) und die um den Phasenwinkel sp verschobene Spannung 57 (F i g. 6 b) werden beide differenziert. Der Impuls S8' wird im Und-Gatter 34 mit der Spannung 57 zusammengeführt (Fig. 6 c). Entsprechend wird der Impuls 57' mit der Spannung S 8 im Und-Gatter 33 zusammengeführt. Für jeden Phasenwinkel ,/ wird in einem der beiden Gatter 33 oder 34 ein Ausgangsimpuls erzeugt, wobei für 0 < q < z der Impuls im Gatter 34 und für sr zu g < 2 sT im Gatter 35 erzeugt wird. Das Oder-Gatter 35 leitet den erzeugten Impuls auf das Und-Gatter 36 (F i g. 6 e). Fig. 6 shows timing diagrams for the decisions of all stages in the phase comparison circuit P of Fig. 1. The voltages S8 (Fig. 6a) and the Voltage 57 shifted by the phase angle sp (FIG. 6 b) are both differentiated. The pulse S8 'is combined with the voltage 57 in the AND gate 34 (FIG. 6 c). Correspondingly, the pulse 57 ′ is combined with the voltage S 8 in the AND gate 33. For each phase angle, / is an output pulse in one of the two gates 33 or 34 generated, where for 0 <q <z the pulse in gate 34 and for sr to g < 2 sT is generated in gate 35. The OR gate 35 conducts the generated pulse the AND gate 36 (Fig. 6e).

Das Und-Gatter 36 ist im Ruhezustand leitend und wird erst durch den Anschaltimpuls für den bistabilen Multivibrator 13 aus dem bistabilen Multivibrator 20 gesperrt. Dieses Und-Gatter 36 wird abgeschaltet, um die Messung bei den Grenzfällen rp = t nicht zu stören. Der Ausgangsimpuls wird im monostabilen Multivibrator 37 um die Zeit T verzögert. Die Potentialänderung dieses monostabilen Multivibrators 37 wird in der Stufe 38 differenziert, und der positive Impuls steht am Ausgang des Gleichrichters 39 zur Verfügung (F i g. 6f). Ein Und-Gatter 40 führt die beiden Spannungen S7 und so (Fig. 6h) zusammen.The AND gate 36 is conductive in the idle state and is only activated by the Switch-on pulse for the bistable multivibrator 13 from the bistable multivibrator 20 blocked. This AND gate 36 is switched off in order to carry out the measurement in the borderline cases rp = t not to bother. The output pulse is generated in the monostable multivibrator 37 delayed by the time T. The change in potential of this monostable multivibrator 37 is differentiated in stage 38, and the positive pulse is at the output of the rectifier 39 is available (FIG. 6f). An AND gate 40 leads the two Voltages S7 and so (Fig. 6h) together.

Ein weiteres Und-Gatter 42 gibt den Impuls aus dem Gleichrichter 39 an den bistabilen Multivibrator 44, sofern die resultierende Spannung aus dem Und-Gatter 40 mit diesem Impuls zeitlich koinzidiert (F i g. 6 i ). Das Und-Gatter 43 arbeitet infolge der Verknüpfungen zwischen dem Und-Gatter 40 und dem Oder-Gatter 41 in Gegenphase zum Und-Gatter 42 (F i g. 6k). Somit koinzidiert der Impuls aus dem Gleichrichter 39 entweder mit der Spannung aus dem Und-Gatter 40 oder mit der Spannung aus dem Oder-Gatter 41. Der in den Fig. 6a und 6b angenommene Phasenwinkel ç ergibt eine Koinzidenz im Und-Gatter 42, wodurch der bistabile Multivibrator 44 in seinen sperrenden Zustand gekippt wird. Am Eingang D der Stufe 13 liegt somit das Potential 0, wo durch jeder Impuls der Phasemnessung wirksam wird.Another AND gate 42 outputs the pulse from the rectifier 39 to the bistable multivibrator 44, provided the resulting voltage from the AND gate 40 coincides in time with this pulse (FIG. 6 i). The AND gate 43 works as a result of the links between the AND gate 40 and the OR gate 41 in antiphase to AND gate 42 (Fig. 6k). Thus the pulse from the rectifier coincides 39 either with the voltage from the AND gate 40 or with the voltage from the OR gate 41. The phase angle ç assumed in FIGS. 6a and 6b results in a Coincidence in the AND gate 42, whereby the bistable multivibrator 44 in its blocking State is tilted. At the input D of the stage 13 there is thus the potential 0, where becomes effective through every pulse of the phase measurement.

In den nachfolgenden F i g. 7 bis 10 stellen jeweils die Diagramme a und b die Phasenlage der Signale S7 und S8 dar. Für die Koinzidenzlagen der Impulse mit den Rechteckspannungen werden nur die Impulsdiagramme der Stufen eingezeichnet, die einen Ausgangsimpuls zur Folge haben. In the following fig. 7 to 10 each represent the diagrams a and b represent the phase position of the signals S7 and S8. For the coincidence positions of the pulses with the square-wave voltages only the pulse diagrams of the stages are drawn, which result in an output pulse.

Die Fig. 7a und 7b zeigen die zwei Signale 57 und S8, wobei der Phasenwinkel g zwischen 0 und liegt. Die Fig. 7c stellt den Verlauf am Und-Gatter 34 dar, wo der Impuls S8' und die Spannung 57 koinzidieren. Der um z verzögerte Impuls S8' gelangt mit der positiven Ausgangsspannung am Oder-Gatter 41 (Fig. 7d) zur Koinzidenz, wie es in der Fig. 7e dargestellt ist. Der Impuls 58' schaltet den bistabilen Multivibrator 44 in den leitenden Zustand, wodurch am Eingang D der Stufe 13 ein positives Potential erscheint. Bei leitendem Und-Gatter 14 schaltet nun der Impuls S8' den bistabilen Multivibrator 13 in den leitenden Zustand. Der nächstfolgende Impuls S7' kann diesen jedoch während der Zeitdauer T nicht schalten, da der astabile Multivibrator den Zustand unabhängig von den Schaltimpulsen für die Zeitdauer T aufrechterhält. Somit kann erst der zweite um 2 Jr später eintreffende Impuls 57' den bistabilen Multivibrator schalten. Damit bleibt das Meßtor 15 für die Zeit 2 z + geschlossen. 7a and 7b show the two signals 57 and S8, the phase angle g is between 0 and. Fig. 7c shows the course at AND gate 34, where the pulse S8 'and the voltage 57 coincide. The pulse S8 'delayed by z comes with the positive output voltage at the OR gate 41 (Fig. 7d) for coincidence, as shown in Fig. 7e. The pulse 58 'switches the bistable multivibrator 44 into the conductive state, whereby a positive potential at input D of stage 13 appears. When the AND gate 14 is conductive, the pulse S8 'now switches the bistable Multivibrator 13 in the conductive state. The next following pulse S7 'can do this however, do not switch during the period T, since the astable multivibrator does State is maintained for the period T regardless of the switching pulses. Consequently only the second pulse 57 'arriving 2 years later can the bistable multivibrator switch. The measuring gate 15 thus remains closed for the time 2 z +.

Der Phasenwinkel g zwischen den RechteckspannungenS7 und S8 liegt gemäß der Fig. 8a und 8b zwischen t und .7l. In diesem Falle kommt es im Und-Gatter 34 zu einer Koinzidenz des Impulses 58' und der Spannung 57 (Fig. 8c). Der um t verzögerte Impuls S8' kommt mit der Ausgangsspannung aus dem Und-Gatter 40 (F i g. 8 d) im Und-Gatter 42 zur Koinzidenz (Fig. 8e). Der Impuls S8' schaltet den bistabilen Multivibrator 44 in seinen gesperrten Zustand, und am Eingang D der Stufe 13 liegt kein Potential. Damit schaltet der bistabile Multivibrator 13 abwechselnd mit jedem Impuls 58' und S7'. The phase angle g lies between the square wave voltages S7 and S8 8a and 8b between t and .7l. In this case it occurs in the AND gate 34 to a coincidence of the pulse 58 'and the voltage 57 (FIG. 8c). The t delayed pulse S8 'comes with the output voltage from the AND gate 40 (F i G. 8 d) in AND gate 42 for coincidence (FIG. 8e). The pulse S8 'switches the bistable Multivibrator 44 in its locked state, and at input D of stage 13 is located no potential. The bistable multivibrator 13 thus switches alternately with each one Pulse 58 'and S7'.

Der Phasenwinkel .; in den F i g. 9a und 9b liegt im Bereich zwischen z und 2-#. Im Und-Gatter 33 kommen der Impuls 57' und die Spannung S8 zur Koinzidenz (F i g. 9 c ). Eine weitere Koinzidenz ergibt sich im Und-Gatter 42 zwischen der Ausgangsspannung des Und-Gatters 40 (F i g. 9 d ) einerseits und dem um r verzögerten Impuls S7' (Fig. 9e). The phase angle.; in Figs. 9a and 9b is in the range between z and 2- #. The pulse 57 'and the voltage S8 come to coincidence in the AND gate 33 (Fig. 9 c). Another coincidence arises in the AND gate 42 between the Output voltage of the AND gate 40 (FIG. 9 d) on the one hand and the delayed by r Pulse S7 '(Fig. 9e).

Der bistabile Multivibrator 44 schaltet in den gesperrten Zustand, und der Eingang D der Stufe 13 weist das Potential 0 auf.The bistable multivibrator 44 switches to the locked state, and the input D of stage 13 has the potential 0.

Der letzte zu untersuchende Fall zeigt einen Phasenwinkel q, im Bereich 2 . - T und 2n gemäß den F i g. 10 a und 10 b. Die erste Koinzidenz tritt im Und-Gatter 33 zwischen dem Impuls 57' und der Spannung 8 auf (F i g. 10 c ). Die zweite Koinzidenz zeigt das Und-Gatter 43 (Fig. 10e) zwischen der Ausgangsspannung des Oder-Gatters 41 (Fig. 10d) und dem um t verzögerten Impuls S8'. Der Ausgangsimpuls aus dem Und-Gatter 43 schaltet den bistabilen Multivibrator 44 in den leitenden Zustand, wodurch der Eingang D der Stufe 13 ein positives Potential aufweist. Der bistabile Multivibrator 13 schaltet mit einem ersten Impuls S8' in den leitenden und mit dem nächsten Impuls S7' in den gesperrten Zustand. Da der astabile Multivibrator in diesem Falle während der Zeitdauer ein Schalten in den leitenden Zustand verhindert, kann erst der nächste Impuls S8', der dem Umschalten des astabilen Multivibrators folgt, den bistabilen Multivibrator wieder leitend schalten. Somit bleibt das Meßtor während der Zeit ç offen und während der Zeit 2$(2.7-yi) geschlossen. The last case to be examined shows a phase angle q, in the range 2. - T and 2n according to FIGS. 10 a and 10 b. The first coincidence occurs in the AND gate 33 between the pulse 57 'and the voltage 8 (FIG. 10 c). The second coincidence shows the AND gate 43 (Fig. 10e) between the output voltage of the OR gate 41 (Fig. 10d) and the pulse S8 'delayed by t. The output pulse from the AND gate 43 switches the bistable multivibrator 44 into the conductive state, whereby the Input D of stage 13 has a positive potential. The bistable multivibrator 13 switches to conducting with a first pulse S8 'and with the next pulse S7 'in the locked state. Since the astable multivibrator in this case during the period of time prevents switching into the conductive state can only be done by the next one Pulse S8 ', which follows the switching of the astable multivibrator, the bistable Switch the multivibrator back on. Thus the measuring gate remains during the time ç open and closed during the time $ 2 (2.7-yi).

Claims

Claims: 1. Circuit arrangement for digital measurement of the Phase angle between two oscillations of the same frequency, in which a bistable Multivibrator by a pulse that characterizes the phase position of the first oscillation into the conducting and through the first following, the phase position of the second oscillation characteristic pulse is switched to the blocked state will and during the conductive state, a measuring gate opens which produces a high-frequency pulse train leads to a counter, which indicates that means are provided, which automatically repeat the measurement several times and from these measurements automatically form the arithmetic mean, to prevent measurement errors as a result Scatter at very small or very large phase angles a phase comparison circuit an astable multivibrator controls the initiation of the locked state of the bistable multivibrator until the arrival of the second oscillation derived second following pulse or the initiation of the conductive state the same until the arrival of the second, guided by the first vibration al> following pulse delayed.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the phase comparison circuit is constructed with logic elements.

3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the phase comparison circuit can be switched off during the measurement process.

4. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the number of measurements from a bistable multivibrator is determined by a manual switch in the conductive and from the bistable multivibrator that controls the measuring gate switches, is switched to the locked state via a frequency divider.

5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the arithmetic mean of the summed amounts is determined by the pulse counter is by making the number of measurements at least a two-digit number that is the same is a priority of the number system to be displayed and all digits whose significance is smaller than the number of measurements is not displayed.