DE1273680B - Messgeraet mit Abtastschaltung - Google Patents
Messgeraet mit AbtastschaltungInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
GOIr
Deutsche Kl.: 2Ie-28/01
Nummer: 1273 680
Aktenzeichen: P 12 73 680.0-35 (H 59225)
Anmeldetag: 26. April 1966
Auslegetag: 25. Juli 1968
Meßgerät mit Abtastschaltung
Die Erfindung betrifft Meßgeräte mit Abtastschaltung, insbesondere ein Hochfrequenz-Abtastvoltmeter.
Aus der USA.-Patentschrift 3142 799 ist ein Höchstfrequenzvoltmeter bekannt, bei dem die zu
messende Spannung in einem Dioden enthaltenden Meßkopf gleichgerichtet, durch einen Differenzverstärker
verstärkt und als Regelspannung einem regelbaren Verstärker zugeführt wird, dessen Eingang
an einen Oszillator, dessen Ausgang an ein Meßgerät ίο angeschlossen sind, das eine Anzeige für die zu
messende Wechselspannung liefert. Zur Linearisierung der Anzeige ist außerdem ein Rückkopplungskreis zwischen dem Ausgang des regelbaren Verstärkers
und dem Meßkopf vorgesehen.
Abtastschaltungen sind beispielsweise in Verbindung mit sogenannten Rasteroszillographen bekannt
(s. z. B. deutsche Patentschrift 1093 903), sie dienen zur periodischen Abtastung eines höchstfrequenten
Signals zu Zeitpunkten, die von Periode zu Periode der Zeitablenkung des Oszillographen um ein kleines
Stück längs des darzustellenden höchstfrequenten Signals verschoben sind. Bei den bekannten Rasteroszillographen
arbeiten die Abtastschaltungen also synchron und praktisch periodisch.
Das eingangs erwähnte Höchstfrequenzvoltmeter hat den Nachteil, daß es schwierig zu fertigen und zu
eichen ist. Dieser Nachteil soll durch die vorliegende Erfindung vermieden werden.
Durch die Erfindung soll also ein Meßgerät mit Abtastschaltung, insbesondere ein breitbandiges
Hochfrequenz-Spannungsmeßgerät angegeben werden, das einfach herzustellen und zu eichen ist und
bei dem keine Synchronisierung der Abtastung mit dem zu messenden Signal erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Meßgerät mit Abtastschaltung, der ein Eingangssignal und steuernde
Abtastsignale zugeführt sind, um abgetastete Signalimpulse des Eingangssignals zu erzeugen, und mit
einer auf die abgetasteten Signalimpulse ansprechenden Schaltung, die ein Ausgangssignal liefert,
das vom Eingangssignal abhängt, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die steuernden Abtastsignale
der Abtastschaltung mit unterschiedlichen aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zugeführt sind.
Es kann nämlich gezeigt werden, daß eine statistische Verteilung von Abtastungen oder Proben
des zugeführten Signals, die auf diese Weise während einer längeren Zeitspanne gewonnen wurden, mit
einer statistischen Verteilung von Proben des zugeführten Signals, die in synchronisierten, zeitlich
verzögerten Schritten erhalten wurden, identisch sind.
Anmelder:
Hewlett-Packard Company, Palo Alto, Calif.
(V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. E. Sommerfeld
und Dr. D. v. Bezold, Patentanwälte,
8000 München, Dunantstr. 6
Als Erfinder benannt:
John T. Boatwright,
Fred. W. Wenninger, Loveland, Col. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. April 1965 (451 848)
Der Effektivwert, Mittelwert oder Spitzenwert einer großen Anzahl von asynchron abgetasteten Werten
des zugeführten Signals ergibt also eine Anzeige des entsprechenden Meßwertes des zugeführten Signals
selbst.
Weiterbildungen und Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das zugeführte
Eingangssignal mit einer zeitlich veränderlichen Rate abgegriffen. Die abgegriffenen Werte werden
zwischen den Abtastintervallen gespeichert oder gedehnt und die gedehnten Abtastimpulse werden gemessen,
um eine Anzeige des Mittelwertes, Spitzenwertes, Effektivwertes u. dgl. des Eingangssignals
unabhängig von seiner Schwingungsform oder Frequenz zu erhalten. Anzeigefehler, die auf selbsterzeugten
oder statistischen Störungen im Gerät beruhen, werden gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung dadurch stark herabgesetzt, daß ein Gleichspannungssignal gewonnen wird, dessen Amplitude
der statistischen Abtastung der Störungen äquivalent ist.
Im folgenden wird ein in der einzigen Figur der Zeichnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestelltes Spannungsmeßgerät näher erläutert.
Allgemeine Beschreibung
Das in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Abtastvoltmeter enthält eine
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normalerweise nichtleitende Diodenbrücken-Abtast- diejenige Gleichspannung kompensiert, die auf das
schaltung 9, der bei den Klemmen der einen Brücken- Rauschen im Gerät zurückzuführen ist, und die so
diagonale praktisch gleichzeitig entsprechende Ab- eingestellt wird, daß das Meßgerät 31 bei fehlendem
tastsignale 11, 13 entgegengesetzter Polarität züge- Eingangssignal auf Null steht. Auf diese Weise wird
führt werden. Ein zu messendes Eingangssignal wird 5 die Empfindlichkeit in den kleinen Meßbereichen
von Eingangsklemmen 15,17 an die Brückenschal- erhalten, während gleichzeitig bei höheren Signaltung
9 angelegt. Die Abtastsignale werden durch pegeln, wo die Störungen einen weniger bedeutenden
einen Abtastimpulsgenerator 19 mit einer Frequenz Anteil des gesamten Ausgangssignals der Meßstufe
erzeugt, die sich entsprechend einem frequenz- darstellen, die Anzeigegenauigkeit am Gerät 31 durch
modulierten Signal von einem Abtastfrequenz- to die Störunterdrückungsschaltung nicht wesentlich
generator ändert. In der Praxis ändert sich die beeinflußt wird. Frequenz der Abtastimpulse von etwa 10 bis etwa Anzeisekreis
20 oder 30 kHz mit einer Frequenz von etwa 10 Hz. °
Die Änderungsrate von 10 Hz liegt oberhalb der Das Ausgangssignal der Meßstufe 27 hängt sowohl
Ansprechempfindlichkeit eines Meßgerätes 31, so daß 15 von der Störleistung als auch von der Signalleistung
ein unerwünschtes Vibrieren des Zeigers verhindert ab, welch letztere wegen der statistischen Natur der
wird. Die Abtastsignale 11,13 machen die Abtast- gedehnten, abgetasteten Signalimpulse zu analyschaltung
9 jeweils für einen Augenblick leitend, tischen Zwecken wie die Störleistung betrachtet
wobei ein Abtastimpuls des zugeführten Eingangs- werden kann. Das Ausgangssignal der Meßstufe 27
signals (im folgenden kurz Signalimpuls) erzeugt 20 ist also eine nichtlineare Funktion der Amplitude
wird. Die Signalimpulse werden durch einen Ver- des Eingangssignals, gleichgültig, ob die Meßstufe 27
stärker 23 verstärkt und einer Impulsdehnungsstufe auf den Spitzen-, Mittel-, Effektivwert usw. der
25 zugeführt, die außerdem jedesmal dann, wenn die gedehnten, abgetasteten Signalimpulse anspricht
Abtastschaltung 9 auf getastet wird, ein Signal vom (s. auch W. R. Bennet, »Response of a Linear
Generator 21 erhält und die Spitzenamplitude des 25 Rectifier to Signal and Noise«, Bell System Technical
Signalimpulses aufrechterhält, bis der nächste Signal- Journal, Januar 1944).
impuls eintrifft. Das Ausgangssignal der Impuls- Der Meßkreis 30 enthält einen Differenzverstärker
dehnungsstufe 25 wird durch eine geeignete Detektor- 29, zwischen dessen Ausgang und den einen Eingang
oder Meßstufe 27 verarbeitet, die eine Ausgangs- ein Gegenkopplungszweig geschaltet ist, der, wie
gleichspannung liefert, die ein Maß für den Spitzen-, 30 dargestellt, ein nichtlineares Netzwerk 41, dessen
Mittel-, Effektivwert usw. des Ausgangssignals der Übertragungsfunktion in der Zeichnung dargestellt
Impulsdehnungsstufe darstellt. Dieses Gleichspan- ist, und einen Widerstand 43 enthält. Hierdurch wird
nungssignal, das dem Spitzen-, Mittel-, Effektivwert invers zur Übertragungsfunktion der Meßstufe 27 der
usw. des dem Eingang zugeführten Signals unab- Verstärkungsgrad bei großen Signalpegeln herabhängig
von dessen Frequenz oder Kurvenform ent- 35 gesetzt, bei kleinen Signalpegeln erhöht und damit
spricht, wird einem das Meßgerät 31 enthaltenden der Verstärkungsgrad, bezogen auf den Ausgang des
Anzeigekreis 30 zugeführt. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 29, für alle Pegel von Nutz- und Stör-Verstärkers
23 ist zur Einstellung eines gewünschten eingangssignalen an der Meßstufe 27 konstant geMeßbereiches
stufenweise veränderlich. halten. Man erhält hierdurch für das anzeigende Etwaige thermische Driftspannungen in der Abtast- 40 Meßgerät 31 ein Ausgangssignal, das linear von der
schaltung 9 oder Unsymmetrien der Abtastsignale Amplitude des zugeführten Eingangssignals abhängt.
11,13 haben auch bei Abwesenheit eines Eingangs- Das dem anzeigenden Meßgerät 31 zugeführte
signals ein Gleichspannungssignal am Ausgang der Signal wird gedämpft, um eine stetige Anzeige zu
Meßstufe 27, also einen Nullpunktsfehler, zur Folge. gewährleisten. Eine gewisse lineare Dämpfung ist
Diese Fehlerspannung wird über ein Tiefpaßfilter 33 45 erforderlich, um Schwankungen in der Anzeige des
und einen Verstärker 35 auf die Abtastschaltung 9 Meßgerätes zu verhindern, die beispielsweise durch
gegengekoppelt, um die Vorspannung der Dioden der Abtastimpulse niedriger Wiederholungsfrequenz auf-Abtastschaltung
9 zu verändern und die Symmetrie treten können. In der Praxis können ohne Dämpfung
wiederherzustellen. Schwankungen bis zu 1 % in der Anzeige des Meß-„
.. , .. , 50 gerätes auftreten, wenn ein großes Signal mit einer
ÄtorunterarucKung Frequenz von 1OkHz abgetastet wird. Die lineare
In den niedrigeren, also empfindlicheren Meßberei- Dämpfung verhindert außerdem, daß plötzliche Störchen
können Störungen, die aus dem Gerät selbst impulse einen noch zu beschreibenden nichtlinearen
herrühren, bis zu 20 Vo des Ausgangssignals der Dämpfungskreis funktionsunfähig machen, der das
Meßstufe 27 ausmachen. Dieser Störuntergrund ist 55 Meßgerät in Abhängigkeit von der Amplitude von
praktisch unabhängig von der Impedanz der Quelle Signaländerungen zusätzlich dämpft. Die nichtlineare
des Eingangssignals, da das Tastverhältnis (Ver- Dämpfung erfolgt durch einen Widerstand 55 und
hältnis von Leitdauer zu Sperrdauer) der Abtast- einen Kondensator 57, die ein Tiefpaßfilter bilden,
schaltung sehr klein ist, was eine praktisch voll- und durch einen Kondensator 47, der in einem Rückständige
Isolation des Meßgerätes von einer an die 60 kopplungszweig zwischen dem Ausgang und dem
Eingangsklemmen 15, 17 angeschlossenen Signal- anderen Eingang des Differenzverstärkers 29 liegt,
quelle zur Folge hat. Das Untergrundstörsignal kann Das gedämpfte Signal am Ausgang des Verstärkers
daher mittels einer Größe verringert werden, die für 29 wird dem Meßgerät 31 durch einen normalerweise
alle Betriebsbedingungen des Gerätes gleich ist, so geschlossenen Schalter 60 und einen Operationsdaß
das anzeigende Meßgerät 31 bei fehlendem Ein- 65 verstärker 59 zugeführt. Bei kleinen Signaländerungangssignal
auf Null steht. Hierzu dient eine einstell- gen, die nicht ausreichen, um eine der Dioden 49,51
bare Bezugsspannungsquelle 37, die über einen leitend zu machen, ist der Verstärkungsgrad des
Widerstand 39 eine Gleichspannung liefert, die Operationsverstärkers entsprechend den gleichen
Werten von Widerständen 61, 63 gleich Eins. Ein Kondensator 53, der als Integrierglied in einen Rückkopplungszweig
um den Verstärker 59 geschaltet ist, bewirkt die gewünschte zusätzliche Dämpfung, durch
die eine gleichmäßige Anzeige des Meßgerätes 31 gewährleistet wird.
Bei großen Signalauswanderungen wird eine der Dioden 49, 51 leitend und schaltet ein Voreilungsnetzwerk
ein, das einen Kondensator 45 enthält und die Dämpfungswirkung des Kondensators 53 überwindet
(d. h., daß der durch den Kondensator 53 eingeführte Pol durch die durch den Kondensator 45
eingeführte Nullstelle aufgehoben wird). Hierdurch wird die Dämpfung des Meßgerätes bei großen
Änderungen des angelegten Eingangssignals aufgehoben, so daß das Meßgerät 31 solchen Änderungen
ungehindert folgen kann. Wenn die Amplitude der Signaländerungen wieder abnimmt, werden die
Dioden 49,51 wieder beide nichtleitend, und die starke Dämpfung des anzeigenden Meßgerätes wird
wieder wirksam. Widerstände 65, 67 begrenzen den maximalen Strom, der vom Verstärker 59 geliefert
werden muß. Da die Widerstände 61,63 gleich sind, haben auch die Kondensatoren 45, 53 gleiche Werte,
um die obenerwähnte Kompensation des Poles durch die Nullstelle zu erreichen.
Anzeigespeicherung
Der Schalter 60 kann durch Kontakte eines nicht dargestellten Relais gebildet werden, das durch einen
Schalter am Meßkopf 8 betätigbar ist. Der Schalter 60 erlaubt den Eingang des Verstärkers 59 zu öffnen,
so daß die Anzeige des Meßgerätes 31 so lange stehenbleibt, wie der Schalter am Meßkopf gedrückt
ist. Wie dargestellt, sind Widerstände 61, 71 vorgesehen, die die gleichen Werte wie die Widerstände
63, 61 haben, so daß die Verbindungspunkte 77, 79 infolge der Operationsrückkopplung um den Verstärker
29 beide Knotenpunkte bei 0 Volt sind. Wenn sich das Ausgangssignal des Verstärkers 29 infolge
von Änderungen des angelegten Signals ändert, während der Schalter 60 offen ist, ändert sich auch die
Spannung am Verbindungspunkt 57: Wenn diese Spannung einen Wert erreicht, der ausreicht, um eine
der Dioden 73, 75 in Flußrichtung vorzuspannen, wird dem Verstärker 29 ein Korrektursignal zugeführt,
um zu gewährleisten, daß sich sein Ausgang nicht weiter ändert.
Das beschriebene Spannungsmeßgerät gemäß der Erfindung liefert also ein Ausgangssignal, das von
der statistischen Verteilung von abgetasteten Signalimpulsen abhängt, die von einem zugeführten Eingangssignal
in asynchroner Weise gewonnen wurden. Dieses Ausgangssignal steuert ein anzeigendes Meßgerät
linear zu einem gewählten Parameter des angelegten Eingangssignals. Gemäß der Erfindung
ändert sich auch die Dämpfung des Meßgerätes in Abhängigkeit von der Änderungsrate der angelegten
Signale, um das Ansprechverhalten des anzeigenden Meßgerätes zu verbessern. Die Einflüsse von systemeigenen
Störungen auf die Anzeige des Meßgerätes werden beseitigt, ohne die Meßgenauigkeit der Anordnung
zu beeinträchtigen.
Schaltungen der beschriebenen Art können auch bei Meßgeräten zur Messung und Anzeige der Kurvenform
der Eingangsspannung verwendet werden.
Claims (6)
1. Meßgerät mit Abtastschaltung, der ein Eingangssignal und steuernde Abtastsignale zugeführt
sind, um abgetastete Signalimpulse des Eingangssignals zu erzeugen, und mit einer auf
die abgetasteten Signalimpulse ansprechenden Schaltung, die ein Ausgangssignal liefert, das
vom Eingangssignal abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die steuernden Abtastsignale
(11, 13) der Abtastschaltung (9) mit unterschiedlichen aufeinanderfolgenden Zeitintervallen
zugeführt sind.
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wiederholungsfrequenz der steuernden Abtastsignale (11, 13),
die der Abtastschaltung (9) zugeführt sind, zyklisch ändert.
3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsdehnungsstufe
(25) vorgesehen ist, die die abgetasteten Signalimpulse während der Intervalle zwischen aufeinanderfolgenden
Signalimpulsen speichert und daß von dem Ausgangssignal des Kreises ein stetiges Signal abgezogen wird, um ein resultierendes
Ausgangssignal zu erzeugen, das um einen der Störkomponente des zugeführten Signals entsprechenden
Betrag kleiner ist als das Ausgangssignal des Kreises.
4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastschaltung (9) eine
Anzahl von Dioden in einer Brückenschaltung enthält, deren einer Diagonale die steuernden
Abtastsignale (11, 13) zugeführt sind, während einer Klemme (16) der anderen Diagonale das
Eingangssignal zugeführt wird, und daß ein Rückkopplungszweig (33, 35) zur anderen Klemme
der zweiten Diagonale der Brücke vorgesehen ist, der ein Gleichspannungssignal an die Brücke
liefert, das vom Ausgang des Kreises abhängt.
5. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgangsstufe
(30) mit einem anzeigenden Meßgerät (31) und einem nichtlinearen Netzwerk (41), dessen
Übertragungsmaß mit zunehmendem Signalpegel abnimmt und das zwischen den Ausgang des
Kreises und das anzeigende Meßgerät geschaltet ist.
6. Meßgerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein weiteres Netzwerk, durch das der Ausgang
des nichtlinearen Netzwerkes (41) mit dem anzeigenden Meßgerät (31) verbunden ist, um
letzterem ein Signal zuzuführen, das bei zunehmender Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals
des nichtlinearen Netzwerkes eine höhere Ansprechgeschwindigkeit hat.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 3142 799.
USA.-Patentschrift Nr. 3142 799.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 587/213 7.68 © Bundesdruckerei Berlin
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