DE1283377B - Digitaler Gleichspannungsmesser - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. Cl.:

G Ol r-19/26

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 2Ie-19/26

Nummer: 1283 377

Aktenzeichen: P 12 83 377.1-35 (S 97292)

Anmeldetag: 26. Mai 1965

Auslegetag: 21. November 1968

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Die Erfindung betrifft einen digitalen Gleichspannungsmesser mit einem Integrationsverstärker zur Integration der über eine Eingangsschaltung zugeführten Meßspannung, mit einem an den Integrationsverstärkerausgang angeschlossenen Schwellwertdiskriminator, der, wenn die Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers eine durch ihn festgelegte Bezugsspannung überschreitet, die Zuführung von Spannungsimpulsen mit bezüglich der Meßspannung entgegengesetztem Vorzeichen zum Integrationsver-Stärkereingang steuert, bis die Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers auf die Bezugsspannung abgesunken ist, und mit einem Zähler zum Zählen der dem Verstärker zugeführten Spannungsimpulse.

Bei digitalen Gleichspannungsmessern wird die Meßspannung mittels eines Zählers in Form einer Zahl wiedergegeben, wobei der Zähler in binärer, binärcodierter dezimaler oder in dezimaler Form arbeiten und das Meßergebnis visuell angeben, eine Setzmaschine betätigen oder die codierte Information an eine Rechenmaschine weiterleiten kann. Derartige Glcichspannungsmesser können auch zum Messen von Strömen, Ladungen oder mit diesen zusammenhängenden Größen verwendet werden.

Bei einer bekannten Art von digitalen Gleichspannungsmessern wird die Meßspannung mit einer Sägezahnspannung verglichen, und es werden einem Zähler so lange Taktgeberimpulse zugeführt, bis die Amplitude der Sägezahnspannung gleich der Meßspannung ist. Da jedoch Sägezahngeneratoren mit guter Linearitat kompliziert und teuer sind, besitzen derartige Gleichspannungsmesser im allgemeinen nur eine mittlere Genauigkeit von etwa 0.1 bis 1"„.

Bei einem anderen bekannten digitalen Gleichspannungsmesscr wird die Meßspannung mit den Ausgangsspannungen einer Anzahl von Schaltern verglichen, wobei die bewerteten Ausgangsspannungen eine binäre oder binärcodierte dezimale Reihe bilden und mit Hilfe von logischen Schaltelementen in abnehmender Größenordnung mit der Meßspannung verglichen werden. Jede neu zugeschaltete Spannung bleibt zugeschaltet, solange die Gesamtspannung kleiner als die Meßspannung ist. und wird wieder abgeschaltet, sobald die Gesamtspannung größer als die Meßspannung wird. Bei binärer Bewertungsfolge ist die Gesamtzahl der Vergleiche gleich log₂S, worin S die Bereichszahl oder das Verhältnis vom Vollausschlag zur kleinsten bestimmbaren Meßspannung bedeutet. Solche Vergleiche können während der Dauer von log₂S Taktgeberimpulsen durchgeführt werden, wohingegen bei dem zuerst beschriebenen Verfahren für eine Ablesung mit Vollausschlag S Digitaler Gleichspannungsmesser

Anmelder:

Solartron Electronic Group Ltd.,
Farnborough, Hampshire (Großbritannien)

Vertreter:

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt

Als Erfinder benannt:

Eric Metcalf, Brompton, Headley, Hampshire;

Edmund Gervase Bailey, Levicks, Surrey

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 27. Mai 1964 (21 986)

Taktgeberimpulse notwendig sind. Vorteilhaft ist somit die Erhöhung der Meßgeschwindigkeit. Außer dem kann die Meßgenauigkeit sehr groß gemacht werden, doch sind hierzu log₂S Präzisionswiderstände und log₂S Schalter notwendig, die aus Relais oder Präzisions-Clampingdioden bestehen, so daß auch die nach diesem Verfahren arbeitenden Gleichspannungsmesser sehr teuer sind.

Weiterhin ist ein digitaler Gleichspannungsmesser bekannt, bei dem die Meßspannung über einen Widerstand an einem Integrationsverstärker und an einem Diskriminator liegt und die Ausgangsspannung einem Zähler zugeführt wird. Auch derartige Gleichspannungsmesser sind teuer und nicht hinreichend genau.

Um unter Vermeidung hoher Kosten eine große Genauigkeit zu erzielen, ist es bereits vorgeschlagen worden, die Meßspannung für die Dauer einer gemessenen Anzahl von Taktgeberimpulsen an den Eingang eines Integrationsverstärkers zu legen und diejenige Anzahl von Standardladungen zu zählen, die dem Integrationsverstärkereingang zugeführt werden muß, bis die Spannung am Integrationsverstärker ausgang wieder auf den Wert Null zurückgekehrt ist. Nach einem anderen Vorschlag wird die Meßspannung kontinuierlich angelegt. Gleichzeitig werden mit Hilfe eines kurzzeitstabilen Oszillators Zeitinter valle festgelegt, in denen, je nachdem, ob die Verstärkerausgangsspannung oberhalb oder unterhalb

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eines gegebenen Schwellwertes liegt, Ladungsquanten zugeführt werden. Die Größe der Meßspannung ergibt sich hierbei aus dem Verhältnis der Zahl der zugeführten Ladungsmqngen zur Zahl der Taktgeberimpulse in jedem geeigneten Zeitintervall. Es müssen jedoch zwei Zähler verwendet werden, und zwar einer zum Zählen der Taktgeberimpulse und einer zum Zählen der Ladungsquanten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kosten für äußerst genau arbeitende digitale Gleichspannungsmesser insbesondere dadurch herabzusetzen, daß nur ein Zähler benötigt wird und der Oszillator wegfällt, obwohl ein solcher in speziellen Fällen Anwendung finden kann.

stellt. Das Relais hat drei Schaltsätze. Der erste Satz S₄ wird in bekannter Weise zum mehrmaligen Betreiben des Relais verwendet, wenn die Ausgangsspannung von A vom Bezugswert abweicht. Die Aufgabe des zweiten Satzes S₂ wird weiter unten beschrieben, während der dritte Satz S₅ zur Inbetriebnahme des Zählers B dient.

Wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers A über einem bestimmten Schwellwert liegt, z. B. negativ bezüglich dem Erdpotential wird, dann betätigt der Diskriminator den Schalter S₂ und den Zähler B, wodurch dieser eine Eins zählt. Das wiederholt sich so lange, wie die Ausgangsspannung über dem Schwellwert liegt. Die Betätigung des Schalters S₂

Ausgehend von dem eingangs bezeichneten Gleich- _I5 hat die Entladung eines Kondensators C₃, der vorspannungsmesser besteht dazu die Erfindung darin, her auf die Referenzspannung — V_R aufgeladen war.

daß die Eingangsschaltung eine Kapazität und einen Schalter aufweist, mit dem die zunächst auf die Meßspannung aufgeladene Kapazität an den Eingang des Verstärkers anlegbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kapazität durch mehrere Schalter von einer Schaltstellung, in der sie in Serie mit einem Satz weiterer Kapazitäten an den Eingangsklemmen für die Meßspannung liegt, in eine zweite Schaltstellung umschaltbar, in der sie zwischen Masse und dem Eingang des Verstärkers liegt, wobei gleichzeitig der Satz weiterer Kapazitäten nicht in den Verstärker entladen wird. Hierdurch kann der Meßbereich in beliebiger Weise verändert werden.

Zur Strombegrenzung liegt zweckmäßigerweise ein Widerstand in Serie mit der Kapazität, der außerdem eine solche Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisen kann, daß der durch ihn fließende Strom über einen weiten Spannungsbereich konstant ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mit der Kapazität ein Schaltkreis in Serie gelegt r d sind Mittel vorgesehen, durch die der Schaltkreis wiederholt mit einem Impulstastverhältnis ein- und ausgeschaltet wird, das sich wie die Ausschläge der Ausgangsspannung des Verstärkers ändert, um diese Ausschläge zu begrenzen.

Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen an Hand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

Fig. Ib zeigt eine gegenüber der Schaltung der Fig. 1 abgewandelte Schaltung; F i g. 2 zeigt ein erklärendes Diagramm, und

F i g. 3 und 4 zeigen zwei weitere gegenüber dem der Fig. 1 abgewandelte Ausführungsbeispiele.

In der Fig. 1 liegt die Meßspannung an den Klemmen T. Eine Kapazität C₁ und ein Widerstand R₁ in den Eingang des Verstärkers A zur Folge. V_R kann ein Standardelement oder z. B. der Spannungsabfall längs einer Zenerdiode sein. Es ist wichtig, daß die Spitzen der Lade- bzw. Entladeströme des Kondensators C₃ durch einen Widerstand R₂ begrenzt werden und daß die Verweilzeit von S₂ in jeder Stellung lang genug ist, um den Kondensator wesentlich zu laden oder zu entladen.

Wenn zu Beginn die Eingangsspannung des Verstärkers A Null und seine Ausgangsspannung etwa gleich dem Schwellwert von D ist und wenn die Eingangsspannung das richtige Vorzeichen hat, dann wird D den Schalter S₂ betätigen und B zählen lassen, bis die Spannung an A auf Null abgesunken ist. Da A ein Funktionsverstärker ist, d. h. seine Verstärkung und sein Eingangswiderstand groß sind, ist dies der Fall, wenn die Ladung am Eingang Null ist. Die Bedingung hierfür ist, daß die Gleichung

35 erfüllt ist, worin F₁ die Eingangsspannung und N die in B gezählte Zahl bedeutet. Daher ist

Wenn V_R, C₁ und C₃ sehr genau eingestellt sind, dann ist N ein Maß für V₁. Der Widerstand R₁ ist nicht wesentlich, aber er begrenzt den Strom in dem Verstärker.

Der Eingang von A liegt auf virtuellem Erdpotential, und ihm werden drei Ströme zugeführt, deren Summe im wesentlichen Null ist, nämlich:

VJR₁ exp(-^C₁A₁) - V_rC₃n + C₂CLV₂IdI = 0,

worin t die Zeit, die seit dem Verbinden von C₁ mit A vergangen ist, η die Zahi der Betätigungen von S₂ pro Sekunde und V₂ die Ausgangsspannung des Verstärkers ist, die hier bei t = 0 ebenfalls mit Null

können mittels eines zweipoligen Schalters S_la-S_lb 55 in Rechnung gestellt wird.

zunächst an die Klemmen T und dann zwischen Masse und den Eingang eines Funktionsverstärkers A gelegt werden, dem eine Kapazität C₂ parallel geschaltet ist. Der Ausgang des Verstärkers ist mit einem Diskriminator D verbunden.

Der Diskriminator kann aus irgendeiner geeigneten Schaltungsanordnung bestehen (siehe z.B. »Waveforms«, Bd. 19 der M. I. T. Radiation Laboratory Series, S.358ff.). Charakteristisch für ihn sind ein Integration und Auflösung nach V₂ liefert V₂ = V_R C₃fC₂ (ndt - V₁ C₁IC₂ exp (-i/Q · R₁)

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Der erste und der zweite Ausdruck sind in der F i g. 2 einzeln als Kurven I bzw. II aufgetragen, ihre Summe ist V₂. In der Fig. 2 wird angenommen, daß die Summe anfangs negativ ist. Daraus ist zu

Differenzverstärker DA, dessen einer Eingang ge- 65 ersehen, daß V₂ erst einem Minimum zustrebt und erdet und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang dann wieder auf Null zurückkehrt. Während der des Verstärkers A verbunden ist, und ein Relais DR, gesamten Zeit ist n konstant die maximale Zahl von das den Verbraucher des Differenzverstärkers dar- Betätigungen, die das Relais DR überhaupt ausführen

kann. Am Punkt P, wo V₂ wieder Null ist, setzen neue Betriebsbedingungen ein. V₂ bleibt nahe Null und η nimmt derart ab, daß die Veränderung der Kurve Ia, nämlich I ft, fast das Spiegelbild zu II ist. Schließlich ist das Verfahren bei i₀, wenn S₂ aufhört zu schalten, beendet, und der Schalter S₁ kann in die in der F i g. 1 gezeigte Stellung zurückgebracht werden.

Die beschriebene Schaltung stellt einen Kompromiß zwischen einer Anzahl verschiedener wünschenswerter Eigenschaften dar. Die eine davon ist, f₀ für einen gegebenen maximalen Wert von η und eine gegebene Bereichszahl von S möglichst klein zu machen. Das macht einen verlängerten Kurventeil I a erstrebenswert. Andererseits würde eins,Vergrößerung von R₁ und damit von I₀ notwendig sein. Außerdem ist es erwünscht, den maximalen Ausschlag von V₂ so klein wie möglich zu machen, und daher ist die Kapazität C₂ erwünscht.

In den anderen, in der Fig. Ib gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Relais DR durch einen unstabilen (oder freilaufenden) Multivibrator MV ersetzt, der so lange ausgeschaltet ist, wie die Ausgangsspannung des Verstärkers A nicht den Bezugswert überschreitet, und immer dann in Betrieb ist, wenn der Bezugswert überschritten ist. Der Multivibrator kann kapazitiv mit dem Zähler B verbunden sein, während S₂ durch eine übliche Anordnung von Transistorschaltern S_{2 a} und S_{2 h} ersetzt ist, die über einen Transformator mit dem Multivibrator gekoppelt sind.

Bei einem veränderten Ausführungsbeispie! der Erfindung ist R₁ durch eine Schaltung ersetzt, durch die über einen weiten Bereich angelegter Spannungen hinweg ein im wesentlichen konstanter Strom fließt. Dieser Strom ist gerade kleiner als der maximale, aus S₂ erhaltbare Strom.

Eine weitere bevorzugte Anordnung ist in der F i g. 3 gezeigt.

Der Diskriminator D braucht hier nur aus einem Differenzverstärker zu bestehen, dessen Ausgang an zwei Stromtoren liegt. Dem einen Stromtor G₁ zum steilen Ein- und Ausschalten wird eine Reihe von Rechteckimpulsen aus dem Oszillator O zugeführt, von denen entweder alle oder keine zum Schalter S₂ hindurchgelassen werden (unter S₂ sind die Transistorschalter S₂„ und S₂₆ [Fig. Ib] zu verstehen). Jeder Rechteckimpuls, der den Schalter erreicht, hat eine einmalige Entladung des Kondensators C₃ in den Verstärker A zur Folge. Diese Rechteckimpulse werden außerdem dem Zähler B zugeführt.

Dem anderen proportionalen Stromtor G₂ werden Dreieckimpulse zugeführt, die durch Integration der Rechteckimpulse entstehen. Die Spitzen von diesen Impulsen werden mehr oder weniger stark durchgelassen, was im umgekehrten Sinne von der Größe der negativen Spannung aus D abhängt, und auf einen Zerhacker H gegeben, der in Serie mit einem Widerstand R₁ von sehr viel geringerem Wert liegt. H wird mit einem variablen Impulstastverhältnis eingeschaltet und stellt damit automatisch die Entladegeschwindigkeit von C₁ derart ein, daß V₂ leicht negativ bleibt. Die Konstanten der Schaltung sind so gewählt, daß der Strom von C₁ niemals den Strom von S₂ übersteigt, wenn V₂, wie erlaubt ist, negativ ist.

Um die oben angeführten Bedingungen zu erhalten, braucht man nur die relativen Empfindlichkeiten der beiden Stromtore G₁ und G₂ im richtigen Maße einzustellen. Es kann z. B. der Verstärker A eine Sättigungsausgangsspannung von 30 V haben und die Spannungsverstärkung vom Diskriminator D bei einer Ausgangsspannung von 10 V gleich 30 sein, was einer Ausgangsspannung aus A von 330 mV entspricht. Das Stromtor G₂ kann derart vorgespannt sein, daß nur die Spitzen der Dreieckimpulse durchgelassen werden, wenn die Ausgangsspannung von D 10 V ist, und daß größere Teile der Dreiecksimpulse

ίο durchgehen, wenn die Ausgangsspannung von D unter diesen Sättigungswert sinkt. G₁ ist jedoch so eingestellt, daß es bei 300 mV geöffnet wird, was einer Ausgangsspannung aus A von 10 mV entspricht.
Da die Eingangsspannung von A am Ende jedes Zyklus von S₁ nahezu auf Null zurückgeführt ist und die Ausgangsspannung von A nahe dem Schwellwert von D ist, werden nur geringe Anforderungen an die Driftstabilität vom Verstärker A gestellt. Er kann jedoch wechselstrommäßig mit einem Schaltglied gekoppelt sein, dessen Zeitkonstante mindestens in der Größenordnung eines Zyklus von S₁ liegt.

Zur Bereicherweiterung können Schalter für einen

Satz von Kapazitäten von C₁ vorgesehen sein, wobei R₁ gleichzeitig oder auch nicht gleichzeitig geschaltet werden kann, oder es kann die in F i g. 4 gezeigte Schaltung verwendet werden. Hier wird der Bereich im Verhältnis 1:1+ CJC mittels des Schalters S₃ erweitert. Diese Anordnung ist besonders dann zu empfehlen, wenn der Widerstand R₁ durch einen Zerhacker ersetzt ist.

Wenn S₁ ein zweipoliger Schalter ist, kann auch das Ablesen von Spannungen entgegengesetzter Polarität vorgesehen werden. In diesem Fall kann ein Diskriminator, der auf eine positive Spannung anspricht, zum Umlegen des Schalters S₁ und/oder zur Beeinflussung anderer Teile des Gerätes einschließlich der Anzeigevorrichtung hinzugefügt werden, um ein automatisches Ansprechen auf eine Meßspannung beider Polaritäten zu gewährleisten.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Digitaler Gleichspannungsmesser mit einem Integrationsverstärker zur Integration der über eine Eingangsschaltung zugeführten Meßspannung, mit einem an den Integrationsverstärkerausgang angeschlossenen Schwellwertdiskriminator, der, wenn die Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers eine durch ihn festgelegte Bezugsspannung überschreitet, die Zuführung von Spannungsimpulsen mit bezüglich der Meßspannung entgegengesetztem Vorzeichen zum integrationsverstärkereingang steuert, bis die Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers auf die Bezugsspannung abgesunken ist, und mit einem Zähler zum Zählen der dem Verstärker . zugeführten Spannungsimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung eine Kapazität (C₁) und einen Schalter (S₁₀, S_lh) aufweist, mit dem die zunächst auf die Maßspannung aufgeladene Kapazität an den Eingang des Verstärkers (A) anlegbar ist

2. Gleichspannungsmesser nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (Cj) durch mehrere Schalter (S_{1 a}, S_{1 bi} S_{1 f}) von einer Schaltstellung, in der sie in Serie mit einem Satz weiterer Kapazitäten (C₁', C" usw.) an den Ein-

gangsklemmen (T) für die Meßspannung liegt, in eine zweite Schaltstellung umschaltbar ist, in der sie zwischen Masse und dem Eingang des Verstärkers liegt, wobei gleichzeitig der Satz weiterer Kapazitäten nicht in den Verstärker entladen wird (F i g. 4).

3. Gleichspannungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kapazität (C₁) ein Widerstand (R₁) in Serie liegt.

4. Gleichspannungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R₁) auf Grand seiner Strom-Spannungs-Charakteristik einen konstanten Strom führt.

5. Gleichspannungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Kapazität (C₁) ein Schaltkreis (H) in Serie liegt und daß Mittel (O, G₂) vorgesehen sind, durch die der Schaltkreis wiederholt mit einem Impulstastverhältnis - ein- und ausgeschaltet wird, das sich wie die Ausschläge der Ausgangsspannung des Verstärkers (A) ändert, um diese Ausschläge zu begrenzen (F i g. 3).

6. Gleichspannungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Diskriminator (D) ein mit einer Rechteckimpulsquelle (O) verbundenes Schaltglied (G₁)

angeschlossen ist, das vom Diskriminator geöffnet wird, wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers oberhalb der Bezugsspannung liegt, und daß an das Schaltglied ein Schalter (S₂) angeschlossen ist, der von jedem vom Schaltglied durchgelassenen Rechteckimpuls zum Entladen des Verstärkers mit einer Standardladung umgeschaltet wird (F i g. 3).

7. Gleichspannungsmesser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteckimpulsquelle (O) an einen eine Sägezahnspannung erzeugenden Integrator und dieser an eine Clipperschaltung (G₂) angeschlossen ist, deren Clipperspannung wie die Ausschläge der Ausgangsspannung des Verstärkers veränderbar ist.

8. Gleichspannungsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entladen des Verstärkers eine Kapazität (C₃) vorgesehen ist, die beim Abweichen der Ausgangsspannung des Verstärkers von der Bezugsspannung über den Schalter (S₂) abwechselnd in den Verstärker entladen bzw. erneut aufgeladen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 184 415.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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