DE1271257B

DE1271257B - Digitaler Spannungsmesser

Info

Publication number: DE1271257B
Application number: DEP1271A
Authority: DE
Inventors: Eric Metcalf
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1964-08-04
Filing date: 1965-07-21
Publication date: 1968-06-27
Also published as: GB1058942A; US3287723A; NL6508585A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIr

Deutsche Kl.: 21 e - 36/01·

Nummer: 1271257

Aktenzeichen: P 12 71 257.1-35

Anmeldetag: 21. Juli 1965

Auslegetag: 27. Juni 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen digitalen Spannungsmesser mit einem kapazitiv rückgekoppelten Verstärker, dem über einen Schalter eine der Eingangsspannung proportionale Ladung zugeführt wird, ferner mit einer über einen Widerstand an den Verstärkereingang anschaltbaren Bezugsspannungsquelle, die zum Absenken dieser Ladung dient, und mit einem Taktimpulsgenerator und einem Impulszähler, der mit dem Beginn der Ladungsabsenkung im Rückkopplungskondensator durch die Bezugsspannung die vom Impulsgenerator abgegebenen Taktimpulse so lange zählt, bis ein an den Verstärker angeschlossener Niveauschalter beim Erreichen eines vorgegebenen Spannungswertes am Verstärkerausgang den Zähler vom Impulsgenerator abschaltet.

Bei diesen bekannten digitalen Spannungsmessern wird die zu messende Spannung während einer vorgegebenen Zeitspanne, die durch eine vorbestimmte Anzahl von Taktimpulsen festgelegt ist, über einen Widerstand an den Verstärkereingang gelegt. Hierbei lädt sich der Rückkopplungskondensator auf einen der Eingangsspannung proportionalen Wert auf. Anschließend oder auch gleichzeitig mit der Eingangsspannung wird zur Absenkung der Kondensatorladung die Bezugsspannung über einen weiteren Widerstand an den Verstärkereingang geschaltet und die während der Entladezeit von dem Taktimpulsgenerator gelieferten Taktimpulse in dem Impulszähler gezählt. Der sich dabei ergebende Zählerstand ist ein digitales Maß für die anliegende Spannung.

In der Nachrichten- und Fernmeldetechnik ist es oft üblich oder zweckmäßig, eine Spannung nicht in Volt, sondern in einem logarithmischen Maß anzugeben, beispielsweise in Dezibel oder Neper.

Für diesen Zweck sind analog arbeitende Meßgeräte bekannt, die eine zu messende Spannung in einem logarithmischen Maßstab anzeigen. Dazu wird oft die zu messende Spannung mittels einer Bezugsspannung und einem logarithmischen Potentiometer kompensiert.

Mit dem immer größer werdenden Angebot und Bedarf an digitalen Meßgeräten entstand auch eine Nachfrage nach einem digitalen Spannungsmesser, der die zu messende Spannung logarithmisch angibt. Ein derartiges Meßgerät weist gegenüber einem analogen logarithmischen Spannungsmesser grundsätzlich die gleichen Vorteile auf wie ein normales digitales Spannungsmeßgerät gegenüber einem analogen Spannungsmeßinstrument, insbesondere eine schnelle und auf mehrere Stellen genaue Digitalanzeige des Meßwertes.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin.

Digitaler Spannungsmesser

Anmelder:

The Solartron Electronic Group Limited,

Farnborough, Hampshire (Großbritannien)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Eric Metcalf,

Farnborough, Hampshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 4. August 1964 (31577)

einen unmittelbar eine logarithmische Messung durchführenden digitalen Spannungsmesser zu schaffen.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen digitalen Spannungsmesser wird diese Aufgabe, also die logarithmische Bewertung der zu messenden Spannung, dadurch gelöst, daß nach dem Abschalten der Eingangsspannung vom Verstärkereingang ein Schalter gleichzeitig die Zählung der Taktimpulse durch den Impulszähler einleitet, ferner die Bezugsspannung an den Verstärkereingang legt und dem auf einen der Eingangsspannung proportionalen Wert aufgeladenen Rückkopplungskondensator einen Widerstand parallel schaltet.

Auf diese Weise sinkt die Ausgangsspannung des Verstärkers exponentiell ab, so daß die vom Zähler gezählten Taktimpulse dem Logarithmus der Eingangsspannung proportional sind.
Der Verstärker ist ein Gleichstromverstärker mit hohem Verstärkungsgrad, bei dem infolge der Rückkopplung das Eingangssignal scheinbar an Erde liegt. Wie groß der Verstärkungsgrad und wie stark die Rückkopplung sein muß, hängt von der gewünschten Genauigkeit ab. Ein stark rückgekoppelter Verstär-

ker weist auch eine geringe Ausgangsimpedanz auf. Da der Ladestrom, der durch die zu messende Eingangsspannung festgelegt ist, und der Entladestrom, der beim Schließen des der Bezugsspannung zugeordneten zweiten Schalters auftritt, durch denselben Verstärker fließt, spielen die Linearität und der Nullfehler hinsichtlich der Genauigkeit keine allzu große Rolle. Der scheinbare Erdungspunkt am Verstärkertag 547/217

eingang braucht daher nicht genau auf der Bezugsspannung Null zu liegen. Ferner sind die Meßintervalle so kurz, daß eine Driftbewegung des Verstärkers keinen nachteiligen Einfluß auf die Meßergebnisse hat.

Zum Einbringen der Eingangsladung in den rückgekoppelten Verstärker können zahlreiche Hilfsmittel einschließlich Potentiometerschaltungen unter Verwendung eines Verstärkers mit zwei Eingängen benutzt werden. Es können auch zusätzliche Einrichtungen vorgesehen sein, die bei der Entladung des Rückkopplungskondensators das Durchlaufen des vorgegebenen Spannungsniveaus sehr genau bestimmen.

Die Aufladung des Rückkopplungskondensators mit einer der zu messenden Spannung proportionalen Ladung wird vorzugsweise derart ausgeführt, daß zu Beginn der gesamten Meßzeit die Eingangsspannung einen an den Verstärkereingang angeschlossenen Kondensator auflädt und der Rückkopplungskondensator zur selben Zeit von der Bezugsspannungsquelle auf einen vorgegebenen Ausgangswert gebracht wird. Nach dem Abschalten der Bezugsspannungsquelle vom Verstärkereingang wird der aufgeladene Eingangskondensator von der zu messenden Spannung abgeschaltet und stattdessen an Erde gelegt. Dabei wird die im Eingangskondensator gespeicherte Ladung in den Rückkopplungskondensator umgeladen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des digitalen Spannungsmessers nach der Erfindung besteht darin, daß der Ausgang des Verstärkers über einen gleichrichtenden Schalter, der im Rückkopplungsweg zwischen dem Verstärkerausgang und dem Kondensator liegt, mit einer Stromsenke verbunden ist. Wegen der sehr geringen Ausgangsimpedanz des Verstärkers kann der zur Senke fließende Strom vernachlässigt werden. Während der anfänglichen Aufladezeit fließen der Ladestrom und der Strom ziir Senke gemeinsam in Durchlaßrichtung durch den Gleichrichterschalter. Beim Entladen des Kondensators fließt zwar der Entladestrom dem Strom zur Senke entgegen, jedoch hält dieser den Gleiehrichterschalter so lange leitend, bis der Rückkopplungskondensator' nahezu entladen ist." Dann öffnet sich der Gleiehrichterschalter, weil das'an ihm liegende Potential zu gering ist. Dadurch wird der Rückkopplungsweg unterbrochen. Als Folge davon bewegt sich die Ausgangsspannung des Verstärkers sehr schnell in derjenigen Richtung weiter, in der sie sich während des exponentiellen Abfalls stetig bewegt hat, so daß der Spannungsnullwert sehr schnell durchschritten wird; Der auf den Nullwert eingestellte Niveauschalter spricht daher augenblicklich an.

Eine Ausführungsform der Erfindung soll an Hand einer Figur erläutert werden.

Eine zu messende Eingangsspannung Vi wird zwischen eine geerdete Klemme Ii und eine Klemme T₂ gelegt, die an einen feststehenden Kontakt eines Schalters SIa angeschlossen ist. Der andere feststehende Kontakt dieses Schalters ist mit Erde verbunden. Der bewegbare Kontakt ist über einen Eingangskondensator Cl an den Eingang eines Verstärkers A angeschlossen. Eine Bezugsspannung V_ref kann über einen Schalter S2 α und einen Widerstand Ri an den Verstärkereingang angeschaltet werden. über zwei antiparallel geschaltete Dioden MR1 und MRl ist der Verstärkerausgang mit einem Rückkopplungskondensator Cl verbunden. Ein weiterer Schalter S2b kann dem Rückkopplungskondensator Cl einen Widerstand Rl parallel schalten. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden und dem Rückkopplungskondensator Cl ist über einen Widerstand R 3 an Erde angeschlossen; : .

Der Verstärkerausgang ist ferner an eine Auslöseschaltung oder an einen Niveauschalter G angeschlossen, der am Ende des exponentiellen Abfalls der Verstärkerausgangsspannung, also bei ihrem Nulldurchgang, eine bistabile Kippstufe B zurücksetzt, ,die zuvor beim Beginn des exponentiellen Abfalls der Verstärkerausgangsspannung durch Schließen von zwei Schaltern SIb und Sie gesetzt worden war.

Die Zeit, während der die bistabile Kippstufe gesetzt ist, hängt infolge des exponentiellen Abfalls der Ausgangsspannung des Verstärkers logarithmisch vom Betrag der Eingangsspannung ab. Diese Zeitspanne wird von Taktimpulsen ausgezählt. Dies geschieht in an sich bekannter Weise, nämlich daß die Taktimpulse eines Taktimpulsgenerators über eine Torschaltung einem Zähler zugeführt werden, wobei die bistabile Kippstufe B während ihres gesetzten Zustands diese Torschaltung geöffnet hält, so daß die Taktimpulse zum Zähler gelangen können.

Die Schalter SIa und Slft werden gemeinsam betätigt und können Federsätze eines Relais sein. Die Schalter S2a, SIb und Sie werden ebenfalls gemeinsam betätigt. Sie können drei Transistorschalter sein, die von einem gemeinsamen Schaltpotential betrieben werden.

Zu Beginn der Messung befinden sich die Schalter SIa und Slb in der gezeigten Stellung, in der der Kondensator Cl auf die Spannung Vi geladen wird. Die Schalter Sl werden eine Zeitlang geschlossen, um die Spannung Vo auf den Wert -V_ref ■ (i?2/i?l) zu bringen. Die bistabile Kippstufe 5 ist während dieses Intervalls nicht gesetzt, da der Schalter SIh offen ist. Die Schalter S 2 werden wieder geöffnet, wobei am Verstärkerausgang die Spannung Vo vorübergehend erhalten bleibt. Dann werden die Schalter Sl betätigt, wodurch der Kondensator Cl geerdet und seine Ladung zum Kondensator C 2 befördert wird, so daß die Spannung Vo den Wert

Vo = Vi(ClICl) - V_ref(Rl/Rl)

annimmt.

Die Schalter S 2 werden erneut geschlossen, und die bistabile Kippstufe B wird gesetzt, da die beiden Schalter SIb und S2c geschlossen sind. Die in den Verstärkereingang fließenden Ströme sind Vo/Rl,

Cl -TT- und V_TefjR\. Die Summe dieser Ströme ist

Null. Wenn'to die Laplace-Tränsformation von Vo darstellt, dann gilt:

Vo/Rl + Cl[J)Vo- Vi(ClICl)] + V_ref(Rl/Rl)
• +V_reflpRl = 0.

Dabei ist= ρ der Operator-τ—.
Die Lösung dieser Gleichung ist:

Vo =. [Vi(C 1/C2)] e~^t/C2R2 - V_ref(Rl/R 1).

Die Spannung Vo fällt exponentiell auf den Wert — V_ref(Rl/Ri) ab, wobei sie zur Zeiti'= C2.R2 In (HJRlCyv_ref ■ RlCl) durch Null hindurchgeht. Da die bistabile Kippstufe JB beim Nulldurchgang der Spannung Vo zurückgesetzt wird, zählt der Impuls-

Claims

5 6

zähler diese Zeit t aus, die dem Logarithmus der Patentansprüche·
Eingangsspannung Vi proportional ist. Die übrigen

in der Gleichung für t vorkommenden Größen haben 1. Digitaler Spannungsmesser mit einem kapa-

konstante Werte. Den aus den konstanten Größen zitiv rückgekoppelten Verstärker, dem über einen

gebildeten Faktor kann man als Bezugsniveau für 5 Schalter eine der Eingangsspannung proportionale

eine Ablesung in Dezibel verwenden. Ladung zugeführt wird, ferner mit einer über einen

Ein Beispiel für einen brauchbaren Wertesatz ist: Widerstand an den Verstärkereingang anschaltbaren Bezugsspannungsquelle, die zum Absenken

Cl 28 Nanofarad dieser Ladung dient, und mit einem Taktimpuls-

Rl 1,8 Megohm 10 generator und einem Impulszähler, der mit dem

V_ref +9VoIt Beginn der Ladungsabsenkung im Rückkopp-

Cl 43,4 Nanofarad lungskondensator die vom Impulsgenerator ab-

Rl 100 Kiloohm gegebenen Taktimpulse so lange zählt, bis ein an

den Verstärker angeschlossener Niveauschalter

Bei einem Meßbereichsendwert von 20 Dezibel 15 beim Erreichen eines vorgegebenen Spannungsergeben diese Werte t = 10 Millisekunden, wenn die wertes am Verstärkerausgang den Zähler vom bei einer Spannung von 0,77 Volt in 600 Ohm um- Impulsgenerator abschaltet, dadurch gegesetzte Leistung von 1 Milliwatt einem Pegel von kennzeichnet, daß zur logarithmischen Be-0 Dezibel entspricht. Wenn die Periodendauer der Wertung der zu messenden Spannung nach dem Taktimpulse 5 Mikrosekunden beträgt, gibt der Zäh- 20 Abschalten der Eingangsspannung vom Verstärler die Werte in Millibel an. kereingang ein Schalter (S2a, S2b, Sie) gleich-Die Funktion der Dioden MR1 und MR 2 besteht zeitig die Zählung der Taktimpulse durch den darin, den Rückkopplungsweg unmittelbar vor dem Impulszähler einleitet, ferner die Bezugsspannung Nulldurchgang nahezu offen zu halten. Somit wird (Ker) ^an den Verstärkereingang legt und dem auf der Nullwert sehr schnell durchlaufen und ist gut 25 einen der Eingangsspannung proportionalen Wert festgelegt. Die Dioden arbeiten gemeinsam mit der aufgeladenen Rückkopplungskondensator (C2) Stromsenke am Widerstand R3. Es sind zwei Dioden einen Widerstand (R2) parallel schaltet,
vorgesehen, damit beide Polungen der Eingangs- 2. Spannungsmesser nach Anspruch 1, dadurch spannung berücksichtigt werden können. Wenn die gekennzeichnet, daß zu Beginn der Messung die Schalter Sl betätigt werden und die Ladung auf den 30 Eingangsspannung über einen Kondensator (Cl) Kondensator C2 übertragen wird, fließen der Lade- an den Verstärkereingang angeschaltet ist und strom für den Kondensator C2 und der Strom für die diesen Kondensator auf die zu messende Spannung Senke über den Widerstand R3 in der gleichen Rieh- auflädt, daß dabei die Bezugsspannung (V_ref) den tung durch die Gleichrichter MRl oder MR 2. Wenn Rückkopplungskondensator (C 2) auf ein anfängder Schalter S2 wieder geschlossen wird, fließt der 35 liches Ausgangsniveau auflädt, daß nach dem bei der Entladung des Kondensators C 2 abfallende Abschalten der Bezugsspannung auch die zu Strom entgegengesetzt zum Strom durch den Wider- messende Spannung abgeschaltet und gleichzeitig stand R3, aber der letztere herrscht vor und hält die die im Eingangskondensator (Cl) gespeicherte betreffende Diode leitend, bis der Kondensator C2 Ladung in den Rückkopplungskondensator (C2) nahezu entladen ist. Dann wird die Spannung an der 40 umgeladen wird.

Diode unzureichend, so daß sie sperrt und den 3. Spannungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, Rückkopplungsweg unterbricht. Die Spannung Vo dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des schwingt heftig in der Richtung, in der sie sich während ' Verstärkers (Λ.) über einen Gleichrichter (MR 1 der Entladung des Kondensators C 2 stetig bewegt. oder MR 2), der im Rückkopplungszweig zwischen Die Auslöseschaltung oder der Niveauschalter, bei- 45 dem Verstärkerausgang und dem Rückkopplungsspielsweise ein Schmitt-Trigger, schaltet daher nahezu kondensator (C2) liegt, an eine Stromsenke (R3) augenblicklich um. Die Durchlaßspannung der Diode angeschlossen ist.
führt am Ende des exponentiellen Abfalls eine kleine

Abweichung für die Spannung Vo ein, die jedoch In Betracht gezogene Druckschriften:

zugelassen werden kann und zu keinem bemerkens- 50 Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 184415;

werten Meßfehler führt. britische Patentschrift Nr. 950 647.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

M9 567/217 β. 6t O Bundesdruckerei Berlin