DE1273680B - Messgeraet mit Abtastschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

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)

Patentansprüche:

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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