DE1265863B - Digitaler Spannungsmesser - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES W7TW> PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIr

Deutsche KL: 21 e - 36/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

S100068IXd/21e
15. Oktober 1965
11. April 1968

Die Erfindung betrifft einen digitalen Spannungsmesser mit einem integrierenden Verstärker, dessen Integrationskondensator von der Eingangsspannung aufgeladen wird, ferner mit einer Impulserzeugungsschaltung, die in Abhängigkeit von der Kondensatorspannung Impulse abgibt, die einem anzeigenden Zähler zugeführt werden, und mit einer Rückkopplungsanordnung, die unter Verwendung dieser Impulse zum Absenken der Kondensatorspannung Signale zum Verstärkereingang zurückkoppelt.

Es ist bekannt, die zu messende Spannung nur während einer vorgegebenen Zeitdauer dem Verstärkereingang zuzuführen und die Anzahl der rückgekoppelten Impulse zu zählen, die ein digitales Maß für die anliegende Eingangsspannung bilden. Die rückgekoppelten Impulse entsprechen dabei einer vorgegebenen Ladungseinheit und werden daher im folgenden auch Ladungsimpulse genannt.

Ferner ist es bekannt, die Spannung fortwährend dem Verstärkereingang zuzuführen. Hierbei werden ständig Ladungsimpulse zurückgeführt, die die Ausgangsspannung des Verstärkers innerhalb eines vorgegebenen Grenzwertes halten. Die momentane Impulsfolgefrequenz, mit der die Ladungsimpulse zurückgeführt werden, entspricht dabei dem digitalen Maß für die zu messende Spannung. Die Anordnung kann hierbei auch so getroffen werden, daß die Ladungsimpulse nur zu denjenigen Zeitpunkten zurückgeführt werden, zu denen Taktimpulse auftreten. In diesem Fall wird ein Ladungsimpuls nur dann zurückgeführt, wenn beim Auftreten des Taktimpulses das Ausgangssignal des Verstärkers einen vorgegebenen Schwellwert überschritten hat. Die Anzahl der Ladungsimpulse geteilt durch die Gesamtzahl der in einem vorgegebenen Meßintervall aufgetretenen Taktimpulse ist dabei ein Maß für die zu messende Spannung.

Die bekannten Schaltungsanordnungen können sowohl positive als auch negative Spannungen messen. Dabei treten dann positive und negative Rückführimpulse auf. Ferner können die rückgeführten Impulse auf verschiedene Art und Weise gezählt werden, um verschiedenartige Ergebnisse zu erzielen, beispielsweise den Mittelwert einer Gleichspannung oder den quadratischen Mittelwert einer Wechselspannung.

Diese bekannten digitalen Spannungsmesser genügen jedoch nicht mehr den immer größer werdenden Anforderungen hinsichtlich der Betriebsgeschwindigkeit, Genauigkeit, Linearität und Auflösung. Die Auflösung ist um so besser, je kleiner die einem Rückführoder Ladungsimpuls zugeordnete Ladungsmenge ist, da dann der Spannungsmesser bereits auf sehr kleine Spannungsänderungen anspricht. Ferner besteht stets Digitaler Spannungsmesser

Anmelder:

The Solartron Electronic Group Limited,

Farnborough, Hamshire (Großbritannien)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Eric Metcalf,

Howard Anthony Dorey»

Farnborough, Hampshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 16. Oktober 1964 (42 392)

die Forderung, das Gerät möglichst billig herzustellen.

Eine hohe Meßgeschwindigkeit und eine hohe Auflösung erhält man gleichzeitig nur dann, wenn die Rückführimpulse einer kleinen Ladungsmenge entsprechen und eine hohe maximale Wiederholungsfrequenz haben. Die tatsächliche Wiederholungsfrequenz während einer Messung hängt von der Größe der zu messenden Spannung ab. Die maximale Wiederholungsfrequenz entspricht dabei dem anzeigbaren Maximalwert der Spannung. Eine Erhöhung dieser maximalen Wiederholungsfrequenz oder Pulsfrequenz verbessert sowohl die Nulleinstellung des Gerätes als auch die Auflösung, vorausgesetzt, daß sowohl die Gesamtzeit der Messung als auch das Impulstastverhältnis der Ladungsimpulse aufrechterhalten bleiben, d. h. daß die einem Rückführimpuls entsprechende Ladungseinheit stets der Impulsdauer proportional ist. Infolge der Nichtlinearitäten nimmt jedoch bei einem Verstärker vorgegebener Bandbreite die Genauigkeit der Messung ab, wenn die Pulsfrequenz erhöht wird. Die Abnahme der Genauigkeit erfolgt dabei mit dem Quadrat der Frequenz. Zur Wiederherstellung der ursprünglichen Linearität müßte man einen höheren Verstärkungsfaktor vorsehen und eine entsprechende Gegenkopplung. Infolge interner Phasenverschiebungen bei hohen Arbeitsfrequenzen ist jedoch der Verstärkungsfaktor begrenzt. Es ergibt sich daher eine Zeitverzögerung zwischen dem Eingangs-

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signal und dem Ausgangssignal des Verstärkers. Wenn und im zweiten Teil des Meßintervalls, der im Ver-

die Ladungsimpulse rechteckig verlaufen und die Puls- gleich zum ersten Teil kurz ist, Impulse hoher Frequenz

frequenz hoch ist, dann müssen zur Erzielung einer rückgekoppelt werden.

guten Genauigkeit die Impulsflanken steil sein. Die Bei diesem Ausführungsbeispiel arbeitet der digitale Vorderflanke muß beispielsweise in 20 Nanosekunden 5 Spannungsmesser im ersten Teil des Meßintetvalls

um 6 Volt ansteigen. Infolge der Zeitverzögerung im linear und genau, hat aber eine schlechte Auflösung,

Verstärker kann sich der Verstärkereingang gegenüber Während des zweiten Teils des Meßintervalls wird die

einem derart schnellen Anstieg nicht als virtuelle Erde Auflösung erhöht, ohne dabei die Gesamtgenauigkeit

verhalten. Es findet eine Übersteuerung und eine der Messung nennenswert zu beeinflussen.
Gleichrichtung statt, und es treten Nichtlinearitäten io Allen Ausführungsformen der Erfindung liegt der

auf. gemeinsame Gedanke zugrunde, während eines Meß-

Falls das Meßgerät schnell arbeiten soll, ist es nicht Intervalls sowohl Signale hoher Frequenz als auch

zweckmäßig, die Auflösung lediglich durch Erhöhen Signale niedriger Frequenz zur Rückkopplung zu

der Meßdauer zu verbessern. Es gibt Laborinstrumente, benutzen, um sowohl eine hohe Genauigkeit als auch die beispielsweise einen gesamten Meßzyklus in 15 eine hohe Auflösung bei kurzer Meßdauer zu erzielen.

20 Millisekunden durchführen, damit die digitale Die Rückkopplungssignale hoher und niedriger Fre-

Zählung mit der Netzfrequenz wiederholt werden quenz werden dabei im Fall von zwei Rückkopplungs-

kann, um Schwankungen auszuschließen, die durch wegen gleichzeitig und im Fall eines Rückkopplung^

Brummkomponenten der gemessenen Spannung er- weges nacheinander rückgekoppelt,
zeugt werden. Wenn eine große Anzahl von Span- 20 Die Erfindung soll nun an Hand von Figuren im

nungen zyklisch gemessen werden soll wie bei der einzelnen beschrieben werden.

Datenverarbeitung, dann darf die Meßdauer unter F i g. 1 bis 5 zeigen Schaltungen von fünf verschie-

Umständen höchstens 100 Mikrosekunden betragen. denen Ausführungsformen der Erfindung;

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe F i g. 6 ist eine Abänderung der in F i g. 3 gezeigten

besteht nur darin, einen digitalen Spannungsmesser 25 Schaltung. :

zu schaffen, der sowohl eine hohe Genauigkeit als Bei der in F i g. 1 gezeigten Schaltung wird lie ζ»

auch eine hohe Auflösung aufweist, ohne daß dabei messende Spannung über einen Eingangswiderstand

der Meßzyklus länger ist als bei den bekannten Rl einem Vorverstärker Al mit hohem Verstirfcungs-

digitalen Spannungsmessern. faktor zugeführt. Dabei ist eine Rückkopplung über

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein erster 3° einen Widerstand Rl zum Eingang des Verstärkers

Rückkopplungsweg mit kleiner Zeitkomponente an vorgesehen. Das Ausgangssignal des Verstärkers A1

den Eingang des Integrationsverstärkers und ein wird über einen Widerstand R3 dem Eingang eines

weiterer Rückkopplungsweg mit großer Zeitkonstante Verstärkers Al mit niedrigem Verstärkungsgrad, aber

an den Eingang eines diesem vorgeschalteten, nicht hoher Grenzfrequenz und damit hoher Ansprechintegrierenden Verstärkers geführt ist. 35 geschwindigkeit zugeführt. Der Verstärker .42 besteht

Eine andere Lösung besteht darin, daß über einen im dargestellten Fall aus einem einfachen Schalt-

ersten Rückkopplungsweg an den Eingang des Inte- transistor Tl mit geerdetem Emitter. Ein Rückkopp-

grationsverstärkers Impulse hoher Frequenz und über lungskondensator Cl liefert die gewünschte integrie-

einen weiteren Rückkopplungsweg an den Eingang rende Wirkung. Der Ausgang des Verstärkers A 2 ist eines dem Integrationsverstärkers vorgeschalteten, 40 an eine Impulserzeugungsschaltung QC angeschlossen*

nicht integrierenden Verstärkers Impulse niedriger die Impulse an den Eingang des Verstärkers Al

Frequenz geführt werden. liefert, falls dessen Ausgangssignal einen Schwellwert

Bei diesen beiden Ausführungsbeispielen der Erfin- überschreitet. Die rückgekoppelten Impulse entspredung enthält der digitale Spannungsmesser einen inte- chen einer vorgegebenen Ladungsmenge und wirken grierenden Verstärker mit niedrigem Verstärkungs- 45 der Eingangsspannung entgegen. Zur Vereinfachung grad, aber großer Bandbreite und einen an dessen Ein- wird nur eine Vorzeichenrichtung der Eingangsgang angeschlossenen, nicht integrierenden Vorver- spannung und der Ladungsimpulse betrachtet,
stärker mit hohem Verstärkungsgrad. Der Integra- Die Impulserzeugungsschaltung enthält beispielstionsverstärker hat zwar infolge seines niedrigen Ver- weise eine Schwellwertschaltung El, einen Taktgeber, Stärkungsgrades eine schlechte Linearität und zeigt 50 eine Torschaltung Gl, einen Schalter Sl und zwei Nullpunktabweichungen, kann aber auf Grund seiner Zähler Nl und Nl, die die Taktimpulse und die hohen Bandbreite Signale hoher Frequenz verarbeiten Rückgeführten Ladungsimpulse zählen, wie dies in und läßt daher eine hohe Auflösung und kurze Meß- F i g. 4 dargestellt ist.

dauer zu. Der Vorverstärker sorgt infolge seines hohen Der die Taktimpulse zählende Zähler Nl ver-

Verstärkungsgrades zusammen mit seiner Rückkopp- 55 anlaßt, daß nach einer vorbestimmten Anzahl, bei-

lung für eine hohe Genauigkeit, stellt also die Lineari- spielsweise nach 10 000 Taktimpulsen, der die La-j

tat und auch die Nullage wieder her, ohne dabei die dungs- oder Rückführimpulse zählende Zähler NZ

Meßgeschwindigkeit und Auflösung zu beeinflussen. angehalten wird. Die zu messende Eingangsspannung

Der Integrationsverstärker weist vorzugsweise nur ist dabei der Zahl der zum Verstärker zurückgeführten

einen einzigen schnellarbeitenden Schalttransistor mit 60 Ladungsimpulse proportional, die von dem Zähler N2

einer kapazitiven Rückkopplung auf. Das linearisie- gezählt wurden.

rende Rückkopplungssignal für den Vorverstärker Die Ladungsimpulse der Schaltung QC werden erhält man vorzugsweise durch Glättung der zum ferner einem Tiefpaßfilter .Fl zugeführt, das Reihen-Integrationsverstärker zurückgeführten Ladungsim- widerstände R5 und Nebenschlußkondensatoren Cl pulse. 65 enthält. Das geglättete Ausgangssignal dieses Filters

Eine weitere Lösung der Erfindung besteht darin, wird über einen Widerstand R6 dem Eingang des Verdaß in einem einzigen Rückkopplungsweg im ersten stärkers A1 zur Linearisierung des digitalen Span-Teil des Meßintervalls Impulse niedriger Frequenz nungsmessers zugeführt. Das Filter Fl flacht die

Anstiegsflanken der ihm zugeführten Impulse derart ungeteilten Taktimpulse durch die Torschaltungen G3 ab, daß die obenerwähnten Schwierigkeiten am Ein- und GIa zum Rückführweg. Das Verhältnis von gang des Verstärkers A1 nicht mehr auftreten. Impulsbreite zu Impulslücke beträgt ebenfalls 1:1.

Würde man nur den Rückkopplungsweg durch das Da die Amplitude der Rückführimpulse ungeändert Filter vorsehen, dann würde die Impulserzeugungs- 5 ist, sinkt die rückgekoppelte Ladungsmenge dieser schaltung einige zehn Impulse an den Verstärker- Impulse auf den zehnten Teil des vorhergehenden eingang abgeben, bevor sich das Ausgangssignal des Wertes ab. Die am Ausgang der Torschaltung GIa Verstärkers A1 so weit geändert hat, daß die Rück- auftretenden Impulse schalten den Zähler JV2 jeweils führimpulse unterbrochen werden. Hierdurch würde um einen Schritt weiter. Sobald der Zähler JVl seinen eine ungenaue Zählung eintreten und wahrscheinlich io Endwert, beispielsweise 10 000, erreicht hat, wird die auch Instabilitäten. Der einfache Verstärker A 2 hat bistabile Kippstufe B zurückgesetzt und der Zählerzwar einen ungenügenden Verstärkungsgrad, führt stand in den Zählern JVl und Nl in üblicher Weise jedoch die Integration der zurückgeführten Ladungs- festgehalten. Der Zählerstand des Zählers Nl gibt das impulse infolge seiner geringen Zeitverzögerung richtig digitale Ergebnis an.

aus. Mit der beschriebenen Schaltung wurde eine 15 Die den verschiedenen Ladungseinheiten entspre-Genauigkeit von 0,1 % bd einer Meßdauer von chenden Rückführimpulse können in sehr einfacher 25 Millisekunden erreicht. Weise dadurch erzeugt werden, daß eine Taktimpuls-

In der Schaltung der F i g. 2 ist die Anordnung frequenz mit der doppelten Frequenz der Ladungspotentiometrisch ausgeführt. Die von dem Filter Fl impulse hoher Frequenz benutzt wird, wobei die geglätteten Rückkopplungsimpulse haben dabei um- 20 Taktimpulse den Beginn der Halbwellen von den gekehrtes Vorzeichen und werden einer Klemme Tl Ladungsimpulsen hoher Frequenz festlegen. Entniedrigen Potentials am Eingang zugeführt. Die sprechend haben die von der ersten Stufe des Zäh-Schaltung QC liefert dabei komplementäre Impulse lers JVl gelieferten Impulse die doppelte Frequenz als an die Rückkopplungswege. die Ladungsimpulse niedriger Frequenz und treten

Die in F i g. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfin- 25 jeweils zum Beginn der Halbwellen der Ladungsdung hat nur einen Rückkopplungsweg, obwohl auch impulse niedriger Frequenz auf. Der Schalter S4 kann hier zwei Rückkopplungswege vorgesehen sein könn- ein bistabiler Schalter sein, der durch aufeinanderten, wie es bei den Schaltungen nach F i g. 1 und 2 der folgende Impulse von den Torschaltungen GIa bzw. Fall ist. Bei dem digitalen Spannungsmesser nach Gib abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird. Es ist F i g. 3 arbeitet die Impulserzeugungsschaltung auf 30 nicht von Bedeutung, ob der Zähler JV2 um einen oder zwei verschiedene Arten. Eine bistabile Kippstufe B um zwei bzw. um zehn oder um zwanzig Schritte pro steuert dabei die Zuführung von Impulsen hoher und Ladungsimpuls weiterzählt. Den Eingängen der Zähniedriger Frequenz zum Rückkopplungsweg. Dem ler können zu diesem Zweck Schaltungen vorgeschaltet Integrationsverstärker A wird die zu messende Span- sein, die beispielsweise eine Zweierteilung bewirken, nung in üblicher Weise über einen Widerstand zu- 35 Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel wird geführt. Mit der Nullrückstellung der Zähler JVl und eine Taktimpulsquelle mit 8 MHz und einer Perioden-JV2 beginnt das Meßintervall. Die an den Ausgang dauer von 0,125 Mikrosekunden benutzt. Die maximale des Integrationsverstärkers angeschlossene Schwell- Frequenz der Rückführimpulse hoher Frequenz beträgt wertschaltung El öffnet zwei Torschaltungen GIa dann 4MHz und die Periodendauer 0,25 Mikro- und Gib, sobald der vorgegebene Schwellwert über- 40 Sekunden. Die maximale Frequenz der Rückführschritten wird. Während des ersten Teils des Meß- impulse niedriger Frequenz beträgt 4 kHz und die Intervalls laufen die Rückführ- oder Ladungsimpulse Periodendauer 2,5 Mikrosekunden. Der Zähler JVl durch eine Torschaltung G4 zur Torschaltung Gib ist ein binär codierter Dezimalzähler mit vier Dekaden und von dort zum Rückkopplungsweg. Die Tor- und zählt 10 000 Taktimpulse. Die Meßdauer beträgt schaltung G4 wird dabei von der rechten Hälfte der 45 daher 1,25 Millisekunden. Dies entspricht einer Fre-Kippstufe B offen gehalten. Die der Torschaltung G4 quenz von 800 Hz. Die Umschaltung der bistabilen zugeführten Impulse werden vom Ausgang der ersten Kippstufe B erfolgt bei einem Zählerstand von 9980 Stufe des Zählers JVl abgenommen und haben, da es des Zählers JVl, also nach 1,2475 Millisekunden. Unter sich um einen Dekadenzähler handelt, nur eine Puls- der Voraussetzung, daß die zu messende Spannung frequenz von einem Zehntel der Pulsfrequenz eines 50 dem maximal meßbaren Wert entspricht, registrieren Taktgebers Sl, der den Zähler JVl speist. Das Ver- beim Umschalten die drei höchsten Stufen des die hältnis von Impulsdauer zu Impulslücke beträgt dabei Rückführimpulse zählenden Zählers JV2 den Wert 1:1. Jeder von der Torschaltung Gib durchgelassene 499. In die unterste Zählstufe wurden dabei noch keine Impuls betätigt einen Schalter S4, der dem Ver- Impulse eingespeist. In den letzten 2,5 Mikrosekunden stärker A1 eine Ladungseinheit oder Ladungsmenge 55 des Meßintervalls werden dieser untersten Zähler- AT-VR „.., , ^, -Jj α stufe des Zählers JV2 jedoch zehn Impulse hoher Fre-

von -^- zufuhrt. Ferner wird der am Ausgang _{quenz zugeführtj so d} ^J _{aß der endgülti}/_e Gesamtzähler-

der Torschaltung Gib auftretende Impuls der zweiten stand 5000 beträgt.

Stufe des Dekadenzählers JV2 zugeführt, so daß dieser Die Auflösung des nach der Erfindung aufgebauten Zähler um jeweils zehn Schritte weiterzählt. 60 digitalen Spannungsmessers, die durch das Verhältnis Sobald der Zähler JVl gegen Ende des Meßintervalls der kürzesten Rückführimpulsperiode zur gesamten einen vorgegebenen Zählerstand erreicht hat, beispiels- Meßperiode gegeben ist, beträgt 1: 5000. Die Genauigweise den Wert 9980 bei einem Endzählerstand von keit ist jedoch nicht viel geringer als bei einem üblichen 10 000, erhält die bistabile Kippstufe B zum Umschal- digitalen Spannungsmesser, der die gleiche Meßten ihres Zustandes ein Steuersignal. Dadurch wird die 65 periode, jedoch eine Auflösung von nur 1: 500 auf-Torschaltung G 3 geöffnet und die Torschaltung G4 weist.

gesperrt. Da der Eingang der Torschaltung G 3 direkt Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach F i g. 3

mit dem Taktgeber Sl verbunden ist, laufen jetzt die und auch der Schaltungen nach F i g. 4 und 5 liegt in

der Verminderung von Fehlern, die bei Verwendung von Transistorschaltern zur Erzeugung der Ladungsimpulse auftreten. Die Transistorschalter haben den Nachteil, daß sie keine genau rechteckförmigen Impulse liefern. Nach dem Einschalten steigt das Ausgangssignal eines Transistorschalters erst nach einer Verzögerungszeit exponentiell an. Sowohl die Verzögerung als auch die Anstiegszeit sind temperaturabhängig und ändern sich während der Lebensdauer

kopplung über das Filter Fl ist notwendigerweise eine Gleichstromrückkopplung.

Weder in F i g. 3 noch in F i g. 4 ist es notwendig, ein dezimales Frequenzverhältnis zwischen Taktgeber- und Rückführfrequenzen zu benutzen. Die F i g. 5 zeigt eine Schaltung, bei der eine binäre Teilung verwendet wird. Die Hauptrückkopplung zum Eingang des Verstärkers A 2 wird in diesem Fall nicht beim Auftreten jedes Ladungsimpulses der Schaltung QC vor-

eines Transistors. Infolgedessen ist das Zeitintegral io genommen. Die Impulse werden statt dessen in ihrer des Ausgangssignals eines Transistorschalters nicht Frequenz durch eine Kette von binären Teilerschal«

genügend genau festgelegt, wenn die Pulsfrequenz hoch ist. Bei den erfindungsgemäßen Schaltungen wird dieser Fehler durch die zusätzliche Verwendung von Rückführimpulsen niedriger Frequenz vermindert.

Bei der in F i g. 3 gezeigten Schaltungsanordnung wird der gleiche Rückkopplungsweg sowohl für die Impulse hoher Frequenz als auch für die Impulse niedriger Frequenz benutzt. Es können aber auch getrennte Rückkopplungswege vorhanden sein.

F i g. 4 zeigt eine Weiterentwicklung der Schaltung nach F i g. X und enthält Verstärker A1 und Al sowie weitere Schaltelemente, die bereits in der F i g. X dargestellt sind. Die Hauptlinearisierungsrückkopplung

tungenDl, Dl, D3 geteilt, die gleichzeitig die Eingangsstufe des Zählers Nl bilden können. Die Aus* gangsklemmen ODD, die den Übertragungsausgingen von Dl, Dl und D3 gegenüberliegen, sind so angeschlossen, daß, wenn sich irgendeine Stufe vom Zustand 0 in den Zustand X ändert, ein Gegenkopplungsstrom dem Verstärker A1 über Kondensatoren C€, Cl oder C8 zugeführt wird. Ein Mitkopplungs» strom wird bei Zustandsänderung von X nach O zu= geführt. Die Spannungsausschläge in diesen Teilern sind im wesentlichen gleich, und die Kondensatoren C6, Cl und CS haben ein Verhältnis X: 2: 4. Wenn man mit —X eine Ladungseinheit der Ladungsgegenkopp»

	Zustand vor	Z>3	Rückgeführte	"* JL
Dl	D2	O	Ladungsinipulse
O	O	O	O
X	O	O	—■X
O	X	O	+1-2«
X	X	X	""""•J.
O	O	X	+X + 2 - 4 =*
X	O	X
O	X		+X ~2«
usw.

wird jedoch in diesem Fall durch eine Frequenzteilung as lung bezeichnet, dann sind die rückgeführten Ladungsder Ladungsimpulse erzielt. Im vorliegenden Aus- impulse folgendermaßen verteilt: führungsbeispiel wird ein Teilerverhältnis von XO
benutzt. Die Rückkopplungsimpulse niedriger Frequenz werden nicht direkt vom Ausgang der ersten
Stufe des dekadierten Zählers Nl abgenommen, weil 30
die Frequenz dieser Zählstufe sich bei einer Änderung
der Eingangsspannung ändert. Die Rückkopplungsimpulse müssen eine konstante Impulsbreite haben.
Zu diesem Zweck steuert das Ausgangssignal der
ersten Stufe des Zählers Nl eine bistabile Kippstufe 35
BS an, die eine Torschaltung G6 öffnet, der die 400-kHz-Ausgangsimpulse der ersten Zählstufe des Zählers JVl zugeführt werden. Sobald ein 400-kHz-Impuls
die Torschaltung G 6 durchlaufen hat, wird die bistabile Kippstufe J33 zurückgesetzt. Auf diese Weise 40 Man sieht, daß sieben verschiedene Ladung», wird eine Reihe von Rückkopplungsimpulsen von einheiten bei sieben verschiedenen Stellungen, die den X,25 Mikrosekunden abgeleitet, wobei der Zeitpunkt verschiedenen Ausgangssignalen von QC entsprechen, des Auftretens durch jeden zehnten, vom Zähler JV2 rückgekoppelt werden. Beim achtenmal werden alle gezählten Rückführimpuls hoher Frequenz bestimmt sieben Ladungsimpulse gelöscht. Auf diese Weise ist. Das Ausgangssignal der Torschaltung G6 wird 45 ergibt sich eine siebenstufige Treppenfunktion, im Filter Fl integriert und über den Widerstand R6 Wie bei den anderen Schaltungen ist eine Gfeiah«·

dem Eingang des Verstärkers Al zugeführt. Durch die Spannungsrückkopplung über einen Widerstand RlQ Verwendung der Schaltungen 53 und G6 können die zum Verstärker Al vorgesehen. Rückführimpulse niedriger Frequenz etwas verzögert Die linearisierende Rückkopplung für den Ver*.

auftreten. Diese Verzögerung beträgt jedoch nur 50 stärker A1 wird an der durch Acht teilenden Stufe des einige Zehntel Mikrosekunden, was ohne weitere Zählers JVl über eine Torschaltung Gl abgenommen, Folgen ist, da die Verzögerung in dem Glättungskreis die durch das Ausgangssignal des Teilers Z) 3 leitend des Filters Fl in der Größenordnung von Milli- gemacht wird. Diese linearisierende Rückkopplung Sekunden liegt. wird über den Widerstand R9 zugeführt. Um zu ver»

Bei dem soeben beschriebenen Meßgerät ist die 55 hindern, daß das Tor Gl vorzeitig gesperrt wird, Einstellzeit verhältnismäßig lang. Führt man einen sperrt sein Ausgangssignal auch die Impulsschalweiteren Rückkopplungsweg ein, dann kann die Ein- tung QC vorübergehend.

Stellzeit auf 200 Mikrosekunden verkürzt werden. F i g. 6 zeigt eine Abänderung der Schaltung der

Dieser weitere Rückkopplungsweg nimmt die La- F i g. 3, bei der eine Vereinfachung dadurch erreicht dungsimpulse hoher Frequenz am Ausgang des 60 wird, daß die rückgeführten Ladungsimpulse hoher Schalters £2 auf und glättet sie in einer Schaltung mit Frequenz nicht vollständig genau zu sein brauahen,

lii i dil idri

einem Widerstand Rl und einem Kondensator CA.
Die geglätteten Signale werden dann dem Eingang des
Verstärkers Al über einen Widerstand i?8 zugeführt.
Der Reihenkondensator C5 macht diesen Rückkopplungsweg nur für Wechselspannungen durchlässig,
obwohl auch ein Gleichspannung führender Rückkopplungsweg verwendet werden könnte. Die Rück-

wenn sie gleichzeitig mit Ladungsimpulsen niedriger Frequenz rückgeführt werden, da die letzteren etwaige Ungenauigkeiten ausgleichen. Daher wird der 4*MHz* Generator durch eine 400-kHz-Impulsquelle ersetzt, und die niedrigste Stufe des Zählers JVl wird weggelassen. Die 400-kHz-Impulae werden der bistabilen Kippstufe 2?3 und der Torschaltung G& zugeführt,

wobei die Torschaltung als Ladungsimpulsgenerator unter der Steuerung der bistabilen Kippstufe arbeitet. Die Schwellwertschaltung El, die Torschaltung Gl und der Schalter 52 sind durch eine Umsetzerstufe CV ersetzt, die die Ausgangsspannung des Verstärkers Al 5 in eine Impulsfolge umsetzt, deren Impulsfolgefrequenz bis auf 4MHz ansteigt, und zwar bei der höchstmeßbaren Eingangsspannung, also bei dem größten digitalen Anzeigewert. Der Umsetzer CV liefert die Rückführimpulse hoher Frequenz an die Rückkopplungsleitungen über R4 und über C5, Rl, R8 sowie an einen Eingang des Zählers N2.

Infolge der korrigierenden Wirkung der die Impulse niedriger Frequenz steuernden Schaltungen N2, B3 und G6 kann der Umsetzer CVbis zu 10% nichtlinear sein, bevor die Genauigkeit des Spannungsmessers beeinflußt wird.

Die Ausführungsbeispiele können in verschiedener Weise abgewandelt werden. Es ist möglich, verschiedene Kombinationen von Differential- und potentiometrischen Verstärkern sowie Verstärker mit nur einem Eingang zusammen mit Impulsen beider Polarität zu verwenden, um Rückkopplungszweige mit der gewünschten Wirkung zu erhalten.

Claims (11)

25 Patentansprüche:

1. Digitaler Spannungsmesser mit einem integrierenden Verstärker, dessen Integrationskondensator von der Eingangsspannung aufgeladen wird, ferner mit einer Impulserzeugerschaltung, die in Abhängigkeit von der Kondensatorspannung Impulse abgibt, die einem anzeigenden Zähler zugeführt werden, und mit einer Rückkopplungsanordnung, die unter Verwendung dieser Impulse zum Absenken der Kondensatorspannung Signale zum Verstärkereingang zurückkoppelt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Rückkopplungsweg mit kleiner Zeitkonstante an den Eingang des Integrationsverstärkers (Ä2) und ein weiterer Rückkopplungsweg mit großer Zeitkonstante an den Eingang eines diesem vorgeschalteten, nicht integrierenden Verstärkers (A 1) geführt ist.

2. Digitaler Spannungsmesser mit einem integrierenden Verstärker, dessen Integrationskondensator von der Eingangsspannung aufgeladen wird, ferner mit einer Impulserzeugerschaltung, die in Abhängigkeit von der Kondensatorspannung Impulse abgibt, die einem anzeigenden Zähler zugeführt werden, und mit einer Rückkopplungsanordnung, die unter Verwendung dieser Impulse zum Absenken der Kondensatorspannung Signale zum Verstärkereingang zurückkoppelt, dadurch gekennzeichnet, daß über einen ersten Rückkopplungsweg an den Eingang des Integrationsverstärkers (Al) Impulse hoher Frequenz und über einen weiteren Rückkopplungsweg an den Eingang eines dem Integrationsverstärker vorgeschalteten, nicht integrierenden Verstärkers (A 1) Impulse niedriger Frequenz geführt werden.

3. Digitaler Spannungsmesser mit einem integrierenden Verstärker, dessen Integrationskondensator von der Eingangsspannung aufgeladen wird, ferner mit einer Impulserzeugerschaltung, die in Abhängigkeit von der Kondensatorspannung Impulse abgibt, die einem anzeigenden Zähler zugeführt werden, und mit einer Rückkopplungsanordnung, die unter Verwendung dieser Impulse zum Absenken der Kondensatorspannung Signale zum Verstärkereingang zurückkoppelt, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einzigen Rückkopplungsweg im ersten Teil des Meßintervalls Impulse niedriger Frequenz und im zweiten Teil des Meßintervalls, der im Vergleich zum ersten Teil kurz ist, Impulse hoher Frequenz rückgekoppelt werden.

4. Spannungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierende Verstärker (.4 2) einen einzigen schnellschaltenden Transistor (Tl) mit kapazitiver Rückkopplung (Cl) aufweist.

5. Spannungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsteilerschaltung(iVl) die Impulse niedriger Frequenz für den zweiten Rückkopplungsweg aus den Impulsen hoher Frequenz ableitet und daß die Impulse niedriger Frequenz über ein glättendes Integriernetzwerk (Fl) dem vorgeschalteten Verstärker (A 1) zugeführt werden.

6. Spannungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse hoher Frequenz über einen dritten Rückkopplungsweg mit einem glättenden Integriernetzwerk (R7, C4) dem vorgeschalteten Verstärker (A 1) zugeführt werden.

7. Spannungsmesser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der anzeigende Zähler (iV2) die Impulse hoher Frequenz zählt und daß eine an die Zählstufe dieses Zählers (N2) angeschlossene Torschaltung (53, G6) in Abhängigkeit vom Zählerstand dieser Zählstufe einen Impuls niedriger Frequenz zum Integriernetzwerk (Fl) im zweiten Rückführweg durchläßt.

8. Spannungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeugerschaltung einen Taktimpulsgenerator enthält, dessen Pulsfrequenz der höchstmöglichen Frequenz der Rückführimpulse hoher Frequenz entspricht, daß ein an den Taktimpulsgenerator angeschlossener Zähler (Nl) das Meßintervall festlegt und daß dieser Zähler gleichzeitig als Impulsteiler zur Erzeugung der Impulse niedriger Frequenz dient.

9. Spannungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse hoher Frequenz mittels einer Frequenzteilerschaltung (Dl, Z) 2, D 3) in eine treppenförmig verlaufende Spannung umgesetzt werden, die dem Integrationsverstärker (12) über den ersten Rückführweg zugeführt wird.

10. Spannungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Integrationsverstärker (A2) ein Umsetzer (VC) angeschlossen ist, der für den ersten Rückführungsweg die Impulse hoher Frequenz liefert, deren Impulsfolgefrequenz der Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers (A2) proportional ist.

11. Spannungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei von der Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers (^t) gesteuerte Torschaltungen (G3, GIa; G4, Gib) den Rückführweg speisen, daß die eine Torschaltung (G3, GIa) an einen Taktimpulsgenerator (Si) und die zweite Torschaltung (G4, Gib) an die unterste Zählstufe eines vom Taktimpulsgenerator (Si) gespeisten Taktimpulszählers (Nl) angeschlossen ist, daß der anzeigende Zähler (N2) mit seiner niedrigsten Zählstufe an den Ausgang der ersten

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Torschaltung (G3, GIa) und mit einer höheren Zählstufe an den Ausgang der zweiten Torschaltung (G4, Gib) angeschlossen ist und daß eine vom Taktimpulszähler (JVl) gesteuerte Schalteinrichtung (B) nur die zweite Torschaltung (G4, Gib) bis zum Erreichen eines vorgegebenen Zählerstandes

des Taktimpulszählers und danach bis zum Erreichen des endgültigen Zählerstandes nur die erste Torschaltung (G3, GIa) offen hält.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 095 391.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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