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Meßvorrichtung zur digitalen Messung von Kapazitäten und Widerständen
Die Erfindung betrifft eine Digital-Meßvorrichtung zur genauen Messung von Kapazitäten
und Widerständen, wobei ein veränderter Meßwert sofort angezeigt werden soll. Diese
Anforderungen werden beispielsweise an ein Meßgerät gestellt, mit dem eine Eichung
von Komponenten bei Analogrechnern durchgeführt werden soll.
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Es ist bekannt, Spannungen durch Zählen von Taktimpulsen eines Taktgenerators
zu messen, indem die Taktimpulse während eines dem Betrage der Spannung proportionalen
Zeitintervalles, das von zwei in Amplituden-Komparatoren beim Überschreiten von
Amplitudenschwellen durch eine lineare Sägezahn-Spannungsflanke ausgelösten Begrenzungsimpulsen
eingeschlossen wird, in einem Zähler gezählt und gespeichert werden und die gewonnene
Impulsanzahl nach Beendigung des Zählvorganges in einem Dezimalziffern-Anzeigegerät
dargestellt wird. Eine bistabile Kippstufe kann dabei von den Begrenzungsimpulsen
so gesteuert werden, daß sie das Vorzeichen der Spannung gegenüber einer durch die
eine Amplitudenschwelle festgelegten Bezugsgröße (Erdpotential) anzeigt. Bei diesen
bekannten Digital-Voltmetern ist für eine Messung die Steilheit der Sägezahnflanke
vorgegeben. Die unterschiedlichen spannungsproportionalen
Längen
des ausgezählten Zeitintervalls ergeben sich dadurch, daß der Amplitudenbereich,
welcher von der Sägezahnflanke zwischen-den beiden Amplitudenschwellen durchstiegen
wird, dem Meßwert proportional veränderlich ist, indem die zu messende Spannung
einem der Komparatoren zugefiihrt wird.
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Es sind auch schon Vorschläge bekannt geworden, eine digitale Anzeige
der Größe von Kapazitäten oder Widerständen durch Zeitauszählung in der Weise zu
gewinnen, daß der Prüfling in eine Schaltung als ein Zeitkonstantenglied einschaltbar
ist und die Zeit ausgezählt wird, in der eine von der S haltung von einem Anfangswert
ausgehend erzeugte Spannung einen zweiten vorgegebenen ert erreicht. Es wurde hierbei
die Charakteristik einer Kondensator-Entladung benützt. Bei einer dieser bekannten
Lösungen wird ein zu messender Kondensator in eine monostabile Transistor-Kippschaltung
als das deren Verweilzeit in dem astabilen Zustand bestimmende kapazitive Glied
eingeschaltet, und es wird diese Verweilzeit - gegebenenfalls mehrmals unter periodischem
Anstoßen der Kippschaltung - gemessen. Abgesehen von möglichen Streuungen im Anlaufverhalten
der Transistoren kommt hier für das Rückkippen der schon flacher werdende Teil der
Exponentralkurve der Kondensatorentladung ins Spiel mit der Folge, daß die Meßgenauigkeit
bei kleinen Kapazitäten erheblich abnimmt. Die Messung von Widerständen (indem der
Prüfling anstelle des die Verweilzeit bestimmenden R eingesetzt wird) ist, bedingt
u.a. durch den benutzbaren Arbeitsbereich der Transistoren, mit dieser Schaltung
nur in
einem sehr beschränkten Widerstandsbereich möglich. Eine
andere bekannte Meßschaltung enthält Mittel, um einen Kondensator auf einen Spannungsbetrag
Uo aufzuladen und ihn dann über einen Widerstand R zu entladen, sowie einen Differenzverstärker,
der feststellt, wann bei der Entladung der Spannungswert 0.3679.U erreicht ist.
Die Zeit vom Beginn der Entladung bis zu dem genannten Referenzpunkt wird ausgezählt,
da sie direkt proportional R ist, ergibt sie ein Maß für C bzw. R, wenn R bzw. C
vorgegeben ist. Auch hier wird die Genauigkeit der Diskriminierung des Meßzeit-Endes
durch den schon flacher gewordenen Verlauf der exponentiellen Entladungskurve beeinträchtigt,
und desgleichen durch z.B. temperaturbedingte Anderungen der dem Differenzverstärker
über Widerstände zugeführten zu vergleichenden Steuerspannungen.
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Die eingangs behandelten digitalen Voltmeter waren bereits bekannt,
als die vorgenannten Vorschläge zur Messung von Kondensatoren oder auch Widerständen
gemacht wurden, die für die Messung die Gesetzmäßigkeiten der Kondensator-Entladung
benutzen. Die Erfindung hat erkannt, daß das Prinzip der Bildung einer linearen
Sägezahnflanke und Zeitauszählung eines Hubes dieser Flanke modifiziert auch für
die Messung von Kondensatoren und Widerständen benutzbar ist mit dem Vorteil, daß
sich hohe und gleichbleibend gute Meßgenauigkeiten erzielen lassen.
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Die Erfindung bezieht sich sonach auf eine Meßvorrichtung zur digitalen
Messung von Kapazitäten oder/und von Widerständen mit einer Schaltung, in die der
Prüfling als ein Zeitkonstantenglied
einschaltbar ist, und mit einem
Zähler zur Auszählung der Zeit, in der eine von der Schaltung von einem Anfangswert
ausgehend erzeugte Spannung einen zweiten durch eine Vergleicherschaltung vorgegebenen
ert erreicht. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß
in an sich für Spannungsmessungen bekannter Weis>-Zeitdauern von Amplitudenänderungen
einer von einer integrierenden Schaltung erzeugten linearen Sägezahnflanke ausgezählt
werden, und daß der zu messende Kondensator bzw. der zu messende Widerstand an Klemmen
des Sägezahngenerators so angeschlossen wird, daß er dessen Integrationsgeschwindigkeit
und damit die Flankensteilheit des Sägezahns mit bestimmt.
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Die Meßvorrichtung wird vorzugsweise so ausgebildet, daß Umschaltcr
vorgesehen sind, um entweder Kapazitäts-Meßklemmen anstelle einer internen, durch
einen Wahlschalter unterschiedlich einstellbaren Kapazität oder Widerstendsmeßklemmen
anstelle einer internen, durch einen Ulahlschalter unterschiedlich einstellbaren
Widerstands in den Verstärkerkreis des Sägezahngenerators einzuschalten, sowie Schaltmittel
zur Zuführung von zwei Festspannungen an die Vergleicherschaltung, vorzugsweise
der Sägezairnspitzenspannung und des Erdpotentials.
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Die Meßvorrichtung nach der Erfindung kann dann weiterhin so ausgebildet
werden, daß sie auch als ein nach dem bekannten Prinzip arbeitendes Digital-Voltmeter
benutzbar ist, indem ein weiterer Umschalter vorgesehen wird, um bei Abschaltung
der Kapazitäts- und der Widerstands-Meßklemmen und Einschaltung der internen Kapazitäts-
und Widerstandselemente eine Spannungs-
Meßklamme vorzugsweise über
einen Impedanzwandler mit einem Komparator der Vergleicherschaltung zu verbinden.
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In Weiterbildung der Me#vorrichtung nach der Erfindung sind ferner
Mittel vorgesehen, mit denen die Sfigezahnfretluenz, d.h. die Anzahl der Messungen
pro Sekunde vorgeschrieben werden kann.
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Eine Weiterbildung sieht ferner Schalterstufen zur Meßbereichswanderung
vor, welche die Zeitkonstante der Sägezahnspannung ändern. Insbesondere ist vorgesehen,
daß als interne Widerstands-bzw. Kapazitätselemente zur Meßbereichsänderung geeicilte
Widerstände und geeichte Kapazitäten vorhanden sind, die bedarfsweise zur oder abgeschaltet
werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeit ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Digital-Meßvorrichtung,
so ausgebildet, daß sie zusätzlich auch als Digitalvoltmeter benutzbar ist; Fig.
2a zeigt ein Sägezahnspannungsdiagramm bei i Spannungs- oder Strommessungen ; Fig.
2b zeigt ein Sägezahnspannungsdiagramm bei Widerstands- oder Kapazitätsmessungen.
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Eine nach dem Verfahren der mitlaufenden LadespannunG von einem Miller-Integrator
MI gem. Fig. 1 erzeugte Sägezahnspannung US, die an einem Netzpunkt P abgegriffen
werden kann, wird über Widerstände R2 und R3 den Eingängen zweier Komparatoren,
z.B. Schmitt-
Triggern K1 und K2 zugeführt. Der Komparator K1 vergleicht
die Momentanwerte der Sägezahnflanke mit einem unabhängigen, unveränderlichen Potential,
beispielsweise mit dem Erdpotential, das durch eine leitende Verbindung von einer
Buchse y7 zu einer Buchse y6 über einen Widerstand R1 am Eingang des Komparators
K1 anliegt. Der Komparator K2 hingegen vergleicht eine konstante Spannung (-E) an
dem Kontakt 11 oder Meßspannungen Ux an dem Kontakt 10 eines Schalters 0, die über
einen Widerstand R4 anlieerXen, mit den Momentanwerten der Sägezahnflanke.
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An dem Netzpunkt P ist ferner eine Steuerschaltung ST, fie ebenfalls
ein Schmitt-Trigger sein kann, angeschlossen. Von der teuerschaltung ST wird während
der Messung ein Relais L erregt und ein weiteres Relais A kurzgeschlossen. Das Relais
A steuert die Kontakte aO, a1, a2, die beim Meßvorgang die in Fig. 1 gezeichnete
Stellung einnehmen. Die Kontakte 7 und 12, die von dem relais L betätigt werden,
sind während des Meßvorganges geöffnet. Erreicht die Sbgezahnspannung U den Wert
(+E), so zieht das Relais A an 5 und legt die Kontakte aO, a1 und a2 um, indessen
das Relais L nach einer Verzögerungszeit th abfällt und die Kontakte 11 und 12 schließt.
Diese Verzögerungszeit th, während der die Relais A und L gleichzeitig erregt sind,
kann im Steuerwerk ST eingestellt werden. Nach einer Zeit #tu wird das Relais L
wieder erregt und das Relais A wieder stormlos, und die entsprechenden Kontakte
kippen wieder in ihre ursprüngliche, in Fig. 1 dargestellte Lage zurück.
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Das Relais L erzeugt in diesem Augenblick Impulse N, die über nicht
gezeichnete Leitungen einer bistabilen Kippstufe M und einer Speicherstufe S zugeleitet
werden und diese normieren.
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J)ie Verstärkerstufe V1 des Miller-Integrators MI weist einen hohen
Spannungs-Verstarkungsgrad und einen großen Eingangswiderstand auf. Der parallel
dazu liegende Ladekondensator 0M wird ach also, da er über einen Widerstand RM und
über Schalter T1 und W1 mit einer Spannungsquelle (-E) verbunden ist, linear aufl
aden und eine Sägezahnflanke gemäß Fig. 2a erzeugen. Wird jedoch der Maximalwert
(+E) und damit der Schwellwert der Steuerschaltung ST erreicht, so öffnet sich der
Kontakt a1, und der Kontakt a2 schaltet von der Stellung 9 in die Stellung 8 um.
Durch den Spannungsteiler Ra - Ra bildet sich an dem Netzpunkt P wegen des hohen
Verstärkungsgrad. es des Verstärkers V1 ein negatives Potential (-E) aus, und der
Kondensator CM lädt sic um. Die Sägezahspannung U5 fällt während der Umladezeit
#tu auf den Ausgangswert (-E) zurück.
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J3eginnt die Sägezahnspannung Us die Flanke von (-E) nach (+E) gemäß
Fig. 2a oder Fig. 2b hochzulaufen, so wird das stetig und linear sich ändernde Potential
in zwei Punkten, die auch zusammenfallen können, dem Betrage nach mit den Bezugspotentialen,
die iiber die Widerstände R1 und R4 an den Komparatoren K1 und K2 anliegen, übereinstimmen.
In diesen Augenblicken ändern die beiden Komparatoren K1 und K2 dann jeweils sprungartig
ihr Ausgangspotential und steuern so über Leitungen c1 und c2 eine Antivalenzschaltung
F. Außerdem werden durch Impulse über weitere Leitungen C3 und c4 die getrennten
Eingänge der bistabilen Kippstufe M angesteuert.
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Zu Beginn einer Messung wenn die Sägezahnspannung U5 bei (-X) startet,
weisen die Ausgänge der Komparatoren K1 und K2 gleieines Potential auf. Kompensiert
die Sägezahnspannung U5 beispielsweise eine Spannungsschwelle +Ux2 durch Erreichen
einer Spannung entsprechenden Betrages aber umgekehrten Vorzeichens, so zeigt K2
am Ausgang plötzlich ein anderes Potential als K1, und die Antivalenz-Schaltung
F liefert ein Öffnungspotential an ein Konjunktionstor B. Da dieses Konjunktionstor
B durch ein positives Potential über den Kontakt aO vorbereitet war, können nunmehr
Taktimpulse aus einem Taktgenerator G in zeit-7ich konstanten Abständen durchlaufen
und einen Zähler Z beaufschlagen.
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Nach einer Zeit #t2 überschreitet die Sägezahnspannung U5 die zweite,
durch das Erdpotential festgelegte Spannungsschwelle UO, und der Komparator K1 liefert
ebenfalls ein anderes, dem Potential des Komparators K2 gleichartiges Potential
und schließt damit die Antivalenz-Schaltung F sowie das Konjunktionstor B wieder.
Der Weg der Taktimpulse zum Zähler Z ist somit unterbrochen, der Zähler Z zählt
nicht mehr weiter, sondern er enthält nunmehl eine bestimmte Impulszahl, die dem
Zeitabstand ßt2 gemäß Fig. 2a proportional ist. Die Sägezahnspannung Us steigt weiterhin
linear an und verursacht bei Erreichen des Maximalwertes (+E) unter anderem ein
Ausschalten des Relais L. Der Kontakt 11 wird geschlossen, und der Zählerinhalt
wird zur Entschlüsselung an eine Dekodiermatrix D freigegeben und in einem Dezimal-Anzeigegert.'it
H zur Anzeige gebracht. Weiterhin wird, von dem Relais A betätigt, der Kontakt aO
von der Stellung
12 nach 13 umgeschaltet und somit das Konjunktionstor
B durch Anlegen des Erdpotentials UO zusätzLich verriegelt, so daß während des Rückführens
der Sägezahnspannung US von dem Wert (+E) nach (-E) und während der Freigabe des
Zählerinhaltes keine versehentlich auftretenden Fehlimpulse das Konjunktionstor
B zu passieren vermögen.
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Die Kippstufe M dient zur Anzeige des Vorzeichens der Meßgröße gegenüber
dem unabhängigen Bezugspoterltial, welches hier das Erdpotential UO ist. Nach der
Normierung durch das Relais L beinhaltet die Kippstufe M durch ihre Kipplage vereinbarungsgemäß
ein positives Vorzeichen. Erfolgt nun über die Leitung C3 von dem Komparator K2
zuerst ein Impuls, so wird das Flipflop M in eine Lage gekippt, die ein negatives
Vorzeichen beinhaltet. Beim darauffolgenden Impuls von dem Komparator K1 über die
Leitung c4 wird das Flipflop M wieder zurückgekippt und beinhaltet nun wieder ein
positives Vorzeichen, das Vorzeichen der Meßgröße. Trifft aber von dem Komparator
K1 zuerst ein Impuls ein, so behält das Flipflop M seine Stellung bei. Der nachfolgende
Impuls des Komparators K2 kippt das Flipflop M, welches nunmehr die einem Minuszeichen
entsprechende Kipplage einnimmt.
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Um zu verhindern, daß das Vorzeichen in einem Vorzeichenanzeiger X
während eines Meßvorganges ständig wechselt, ist ein von dem Re lais L betätigter
Kontakt 12 vorgesehen, der nach Beendigung des Meßvorganges den durch die Kipplage
der Kippstufe M festgelegten Vorzeichenwert an eine Speicherstufe S weiterleitet,
die ihn dann in dem Vorzeichenanzeiger X zur Anzeige bringt.
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Anhand von Fig. 2a sei zunächst ein Me#vorgang bei einer ion bekannter
Art ablaufenden Spannungsmessung betrachtet. Die Me#spannung (-Ux1) liege an dem
hochohmigen Eingang y5 eines Impedanzwandlers V2, der mit großer Näherung einen
Spannungsverstärkungsgrad von 1 aufweist. Der Imedanzwandler V2 ist iiber den Kontakt
10 eines Schalters 0 und über den Widerstand R4 mit dem Komparator K2 verbunden,
der die Meßspannung (-Ux1) mit der Sägezahnspannung U5 vergleicht. Wie aus Fig.
2a zu ersehen ist, ändert der Komparator K1 zuerst sein Potential und nach einer
Zeit At1 folgt der Komparator K2. Vereinbarungsgemäß und in Übereinstimmung mit
dem tatsächlichen Vorzeichen erscheint im Vorzeichenanzeigegerät X ein negatives
Vorzeichen. Legt man an den Meßeingang y5 eine positive Meßspannung +Ux2, so erscheint
im Vorzeichenanzeigegerät X ein positives Vorzeichen.
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Den jeweiligen Beträgen der Me#spannungen /-Ux1/oder/+Ux2/ entsprechen
die Zeitabschnitte #T1 und #t2. Die Länge der Zeitabschnitte wird durch die Steigung
der jeweiligen Sägezahnflanke und durch die Lage der Grenzen t0, t1 und t2 bestimmt.
Die Steigung einer Sägezahnflanke ist durch die Zeitkonstante # =RM CM festgelegt.
Sie stellt eine veränderbare Yaßgröße dar, die durch Einschalten der Widerstände
Rp statt RM über einen Schalter T1 oder durch Parallelschalten von Kapazitäten 0
zusätzlich zu CM p über einen Schalter T2 verändert werden kann.
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Das Verändern der Xiderstände Rp und der Kapazität 0p ist gleichzeitig
mit einer entsprechenden Meßbereichsänderung im Dezimal-Anzeigegerät H verbunden.
Die zu messende Spannung Ux bestimmt die Amplitudenschwelle, bei der der Komparator
K2 während der Zuführung
der Sögezahnfhanke Us anspricht. die
Me#grö#en -Ux1 bzw.
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+Ux2 bestimmen jeweils die Zeitabschnitte #t1 und At2, während denen
im Zähler Z die einlaufenden Taktimpulse des Taktgeneratours G gezählt werden TJie
in konstanten Zcitintervallen aufeinander folgenden Taktimpulse unterteilen einen
Zeitabschnitt #t bei einer bestimmten Zeitkonstanten # des Sägezahns so, da# der
Betrag der Me#spannung Ux mit dem im Dezimal-Anzeigegerät H an-$gezeigten Wert,
der einer festgelegten Anzahl von Taktimpulsen im m Zähler Z Z entspricht, übereinstimmt.
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Strommessungen werden durch Messen des Spannungsabfalls über eien
gee chten Wid erstand auf Spannungsbestimmungen zu ückgeführt.
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Anhand von Fig. 2b soll nun ein Me#vorgang bei einer Widerstands-oder
Kapazitätsmessung erklärt werden. Bei derartigen Komponentenmessungen wird zunächst
der Schalter 0 von dem Kontakt 10 auf den Kontakt 11 umgeschaltet. Dadurch sind
die Schwellenamplituden der Komparatoren K1 und K2 unveränderbar a-uf das Erdpotential
UO und ien Maximalwert (4F) festgesetzt. Zu messende Wirierstände Rx werden an die
Buchsen y1 und y2 angeschlossen, und ein Schalter W1 wird von der Stellung 4 nach
der Stellung 5 umgelegt. Me#bereichsänderungen können je nach der Größenordnung
der zu messenden Widerstände Rx dadurch vorgenommen werden, da# jeweils eine von
verschieden gro#en Kapazitäten Cp mittels des Schalters T2 zu CM parallel geschaltet
w)rd. Kapazitäten Cx werden an den Buchser y3 und y4 angeschlossen, und durch Umschalten
eines schalters W2 von der Stellung 7 nach der Stellung 6 bei der Schalterstellung
4 des
Schalters W1 gemessen. Meßbereichsänderungen sind hierbei
durch Einschalten verschieden gro#er Widerstände Rp über den Schalter T1 zu erzielen.
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Im Unterschied zu Spannungsmessungen bewirken sowohl Änderungen der
Me#bereichs-Bestimmungsgrö#en Cp oder Rp, als auch solche der Meßgrößen Ry oder
0x Änderungen der Steilheit der Sägezahnflanke, die nunmehr allein die Zeitabschnitte
#t festlegt. Die Sägezahnspannungsverläufe bei Widerstandsmessungen sind denen bei
Kapazitätsmessungen gleichgeartet, d.h. an den Kennlinien sind sie nicht zu unterscheiden.
Die beiden in Fig. 2b dargestellten Sägezahnspannungsverläufe zeigen eine Kapazitätsmessung
und eine Widerstandsmessung bei unverändertem Meßbereich, die beiden Spannungsmessungen
gemäß Fig. 2a sind ebenfalls in dem gleichen Meßbereich durchgeführt.
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Die formelmäßige Beschreibung der in Fig. 2a und Fig. 2b dargestellten
Messungen soll die Zusammenhänge noch einmal hervorheben: /-Ux1/##t1#Anzahl der
Taktimpulse#Dezimalanzeige; (-) Vorzeichenanzeige /+Ux2/##t2#Anzahl der Taktimpulse#Dezimalanzeige;
(+) Vorzeichen anzeige RM, CM, U0 = konst.
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Cx3##t3#Anzahl der Taktimpulse#Dezimalanzeige; (+) Vorzeichen RM,
U0, +E = konst.
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Rx4## # t4# Anzahl der Taktimpulse#Dezimalanzeige; (+) Vorzeichen
0M' U0, +E = konst.
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An Stelle von CM und RM kann auch CM + Cp oder Rp stehen.
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Mit der Änderung der Widerstände R bzw. Rp und/oder der Kapazitäten
CM bzw. Cp ändert sich die Zeitkonstante #. Da diese der Flankensteilheit der Sägezahnspannung
U5 proportional ist, ändert sich also auch die Sägezahnfrequenz. Für Komponentenbestimmungen
bei vorgeschriebenen Frequenzen sind deshalb mit CM und RM gekoppelte nicht gezeichnete
Regler vorgesehen, die den abhängigen Amplitudenschwellwert am Kontakt 11 so verschieben
(vergrößern oder verkleinern können), daß bei Meßbereichsänderungen durch den Widerstand
RM oder die Kapazität 0M die Sägezahnfrequenz konstant gehalten wird. Mit einem
ebenfalls nicht gezeichneten Voreinstellregler, der die Taktfrequenz des Taktgenerators
G entsprechend regelt, kann die gewünschte Säg£zahnfrequenz ausgewählt werden. Die
Auswahl der Sägezahnfrequenzen geschieht zweckmäßigerweise in Schritten von ganzen
Vielfachen einer Grundfrequenz, da dies die Anzeige auf den einzelnen Meßbereichen
crleichtert. Die betreffenden, für die Grundfrequenz geltenden Meßwerte müssen dabei
lediglich mit dem passenden Maßstabsfaktor multipliziert werden.
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Bei hoher Meßgenauigkeit und bei einer großen Zahl von Messungen pro
Sekunde, wie sie bei vcränderlichen Meßgrößen erforderlich werden, sind für die
Steuerung des Miller-Integrators MI an Stelle von Relais A und L elektronische Schalter
zu verwenden und die Taktfrequenz des Taktgenerators G ist entsprechend hoch zu
wählen.