DE1591893A1

DE1591893A1 - Elektrische Messeinrichtung

Info

Publication number: DE1591893A1
Application number: DE19671591893
Authority: DE
Inventors: Edward Cooper
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1967-03-20
Filing date: 1967-12-20
Publication date: 1970-10-29
Also published as: GB1200905A; US3500196A

Description

Fairchild Camera & Instrument P 67 13

Corporation

Syosset, Long Island, New York 15 91^93

Elektrische Meßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einer spannungsgesteuerten digitalen Zeitschaltung, und insbesondere auf ein digitales Instrument, wie es vorzugsweise zur Messung einer Spannung verwendet werden kann. Bei einer solchen Einrichtung wird von einer gesteuerten Zeitbasis Gebrauch gemacht, welche man durch die Verarbeitung eines Bezugssignals in einem geeigneten Verarbeitungskanal erhält. Dieser Kanal wird wenigstens teilweise bei der Messung eines unbekannten Signals im Zusammenhang mit der bestimmten Zeitbasis verwendet.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens' und seiner praktischen Anwendung wird die Erfindung nachfolgend am Beispiel eines digitalen Voltmeters beschrieben. Insbesondere in dieser Anwendung werden auch die besonderen Vorteile der Erfindung erkennbar, jedoch kann die Erfindung auch bei anderen Instrumenten und Anwendungsarten mit Vorteil benutzt werden.

Ein digitales Voltmeter ist in seiner allgemeineren Bedeutung ein Instrument, an dem eine unbekannte analoge Spannung als Eingangssignal anliegt und welches einen digitalen Ausgang liefert, welcher in seiner Höhe in einer bestimmten Beziehung zu der unbekannten Eingangsspannung steht. Bekannte Instrumente dieser Art machen in der Regel von einer der drei folgenden Arbeitsweisen Gebrauch:

1. Das Anstiegsverfahren (Ramp- oder Slope-Verfahren). 2» Das Integrations-Verfahren.

3. Das potentiometrische Verfahren bzw. das Verfahren der fortlaufenden Näherung.

Beim Anstiegsverfahren messen die Voltmeter die Länge der Zeit, in der eine innen erzeugte Anstiegsspannung mit einem genau be-

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kannten Anstieg/ ausgehend von einem bekannten Ausgangswert, gleich einer unbekannten Eingangsspannung aS wird· In der Regel wird dabei so vorgegangen, daß ein ersten Komparator einen Impuls erzeugt, welcher ein Tor öffnet wenn die Anstiegsspannung auf Erdpotential liegt, und ein zweiter Komparator einen Impuls erzeugt, welcher das Tor wieder schließt, wenn die Anstiegsspannung mit der unbekannten Spannung übereinstimmt. Solange das Tor geöffnet ist, gelangt eine Impulsfolge aus einem Oszillator mit fester Frequenz zu einem Zähler. Die Zahl der Impulse, die während der Öffnungszeit des Tores gezählt werden, ist der unbekannten Eingangsspannung proportional.

Das integrierende Digitalvoltmeter verwendet einen Konverter zur Umwandlung einer Spannung in eine Frequenz; an dem Konverter liegt ein unbekanntes Eingangssignal an,uad der Ausgang ist mit einem Zähler über ein Tor verbunden. Das Tor wird durch das Signal eines Generators zur Erzeugung einer festen Toröffnungszeit (auch als Zeitbasisgenerator bezeichnet) gesteuert. Im Betrieb des Instrumentes wird die unbekannte Eingangsspannung in eine proportionale Frequenz umgewandelt, welche zu dem Zähler während eines festen Zeitraumes durch den beschriebenen Generator durchgelassen wird. - Wenn man das integrierende Digitalvoltmeter mit dem nach dem Anstiegsverfahren arbeitenden Digitalvoltmeter vergleicht, so erkennt man, daß beim Anstiegsverfahren eine feste Frequenz verwendet wird, während die Zeit variabel ist, und zwar entsprechend derjenigen Zeit, in der die Anstiegsspannung auf den Wert der unbekannten Spannung ansteigen kann. Bei dem nach dem Integrationsverfahren arbeitenden digitalen Voltmeter wird ein festes Zeitintervall zusammen mit einer von dem Konverter zur Verfügung gestellten variablen Frequenz verwendet, welche sich entsprechend der Höhe des Eingangssignals ändert.

Die nach dem potentiometrischen System arbeitenden digitalen Voltmeter enthalten einen Komparatorverstärker, einen logischen Programmierer und eine sehr genaue programmierbare Spannungsquelle; diese Elemente sind in einer geschlossenen Schleife angeordnet. Der Komparatorverstärker nimmt das Eingangssignal auf,

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und die programmierte Spannungsquelle wird mit dem Komparatorverstärker verbunden, um das unbekannte Eingangssignal abzugleichen, bzw. zu Null werden zu lassen. Ein solches Voltmeter arbeitet in der Weise, daß der Komparatorverstärker auf den logischen Programmierer einwirkt, welcher seinerseits die programmierbare Spannungsquelle so einstellt, daß die unbekannte Spannung am Eingang des Komparators auf Null abgeglichen wird. Die endgültige Einstellung der Spannungsquelle liefert dann eine digitale Ablesung, welche der Eingangsspannung proportional ist.

Die beschriebenen Bauarten digitaler Voltmeter und weitere Ausbildungen solcher Voltmeter sind näher in dem Aufsatz "Selecting the Right Digital Voltmeter^H, veröffentlicht in Electronics, 4. April 1966, Seiten 84-90, erläutert. In den USA-Patentschriften 3 O51 939 vom 28.8.1962 .(R.W.Gilbert) und 3 149 282 vom 15.9.1964 (P.D.Wasserman) finden sich weitere Ausführungsbeispiele digitaler Voltmeter.

Diese bekannten Voltmeter unterscheiden sich hauptsächlich hinsichtlich der Genauigkeit, des Auflösungsvermögens, der Empfindlichkeit, der Stabilität, der Ablesegeschwindigkeit und der Rauschunterdrückung. Von diesen Kriterien liefern vor allem die Rauschunterdrückung, die Stabilität und die Ablesegeschwindigkeit gute Beurteilungsmaßstäbe für die allgemeine Wirkungsweise der Voltmeter. Die nach dem Anstiegsverfahren arbeitenden digitalen Voltmeter sind in ihrer Genauigkeit begrenzt, weil diese von der Linearität und Stabilität des Anstieges abhängt, und sie haben auch nur eine begrenzte Rauschunterdrückung. Nun kann zwar die Rauschunterdrückung durch geeignete Filterungsmaßnahmen verbessert werden, jedoch hat dies zur Folge, daß die maximale Ablesegeschwindigkeit des Instrumentes nachteilig beeinflußt wird. Bei dem nach dem Integrationsverfahren arbeitenden digitalen Voltmeter ist die erreichbare Genauigkeit im Vergleich zu dem nach dem Anstiegsverfahren arbeitenden Voltmeter besser. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß die Rauschunterdrückungseigenschaften bei nach dem Integrationsverfahren arbeitenden Systemen günstiger sind. Der Grund hierfür ist, daß bei dem nach dem Integrationsverfahren arbeitenden Voltmeter die un-

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bekannte Größe in einem gegebenen Zeitintervall gemessen wird, und hierbei ist es möglich, daß verschiedene Störfrequenzen aufgehoben werden. Das nach dem Integrationsverfahren arbeitende digitale Voltmeter hat jedoch den Nachteil, daß der Spannungs-Frequenz-Umwandler in einem weiten Frequenzbereich nicht linear arbeitet. So ist es beispielsweise aus praktischen Gründen schwierig, einen Spannung-Frequenz-Umwandler mit einer maximalen Frequenz über 500 IcHz zu erhalten. Diese maximale Frequenz begrenzt auch die AbIesegeschwindigkeit entsprechend der Zeit, die für die Zählung des vollen Endwertes erforderlich ist, welche ihrerseits die Ablesegeschwindigkeit bestimmt und umgekehrt proportional der maximalen Frequenz des Spannung-Frequenz-Umwandlers ist. Bei digitalen Voltmetern, die nach dem Integrationsverfahren arbeiten, bereiten daher bei dem Umwandler die Nichtlinearität, die Stabilität und die Abhängigkeit von der Ablesegeschwindigkeit technisch nur schwer zu beherrschende Probleme.

Bei dem potentiometrischen Voltmetersystem hängt die Genauigkeit und Stabilität weitgehend von der Bezugspannungsquelle ab, welche verwendet wird, um die Eingangsspannung zu Null abzugleichen. Während bei der Spannungsquelle die Stabilität des vollen Endwertes leichter beherrscht wird als es bei einem Spannungs-Frequenz-Umwandler der Fall ist, bietet die Linearität der Schalteinrichtungen in solchen Spannungsquellen kritische Temperaturrege lungs- und Stabilitätsprobleme. Dies Problem kann allerdings dadurch gelöst werden, daß man die kritischen Elemente in einer geeigneten Umgebung unterbringt, beispielsweise einer Art von Ofen. Schwieriger ist jedoch ein weiterer Nachteil des potentiometrisch arbeitenden Voltmeters zu beherrschen, nämlich die Unmöglichkeit, Rauschen zu unterdrücken. Man muß daher beim potentiometrisch arbeitenden Voltmeter einen Kompromiß zwischen der Ablesegeschwindigkeit und der Rauschunterdrückung durch geeignete Filtermaßnahmen finden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine spannungsgesteuerte digitale Zeitschaltung mit besonders günstigen Eigenschaften darzustellen und insbesondere im Zusammenhang mit digitalen Voltmetern eine Einrichtung zu schaffen, welche die Vorteile der nach dem Integrationsverfahren arbeitenden Voltmeter hat, aber die Nachteile der darin verwendeten Spannung-Frequenz-Umwandler zu

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beheben erlaubt.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß eine Meßeinrichtung zur Messung eines elektrischen Signals einen Kanal zur Verarbeitung des Signals für einen bestimmten Zeitraum enthält, und daß eine Zeitbasisschaltung zur Bestimmung des genannten Zeitraums wenigstens einen Teil des Kanals enthält und mit der Meßeinrichtung derart gekoppelt ist, daß Änderungen in der Wirkungsweise des Kanals aufgehoben werden, so daß sich ein Instrument von hoher Stabilität und Linearität ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild eines digitalen Voltmeters, bei dem von dem Erfindungsgedanken Gebrauch gemacht wird.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, können ein Bezugssignal und ein Eingangssignal durch einen ersten Schalter 16 zu einem Umwandler 18 weitergegeben werden. Das Bezugssignal hat einen festen Wert, und dieser wird in der Regel durch eine Spannung von vorgegebener Höhe dargestellt. Das Eingangssignal ist ein unbekanntes Signal, welches in einem digitalen Voltmeter als analoges Spannungssignal von unbekannter Höhe auftritt. Der Schalter 16 hat wenigstens zwei Schaltstufen A und B, und er weist in der Zeichnung schematisch als Ausführungsbeispiel einen Schaltarm 13 auf, welcher mit Kontakten 14 bzw. 15 zusammenarbeitet. Der Schalter 16 kann eine Schalteinrichtung geeigneter bekannter Art sein, beispielsweise eine Festkörperschalteinrichtung.

Der Umwandler 18 ist bei Anwendung der Erfindung im Zusammenhang mit einem digitalen Voltmeter ein Spannung-Frequenz-Umwandler, welcher Ausgangsimpulse erzeugt, die in ihrer PoIgegeschwindigkeit, also der Frequenz, linear proportional der Höhe der Spannung sind, die am Eingang des Umwandlers 18 anliegt. Einrichtungen dieser Art sind bekannt und brauchen daher nicht näher beschrieben zu werden. Im Betrieb erzeugt der Umwandler Impulse, deren Folgefrequenz proportional der Bezugsspannung ist, wenn der Schalter

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sich im Schaltzustand A befindet, und er erzeugt Impulse, deren Folgefrequenz dem unbekannten Signal proportional ist, wenn Schalter 16 den Schaltzustand B einnimmt.

Die Ausgangsimpulse aus dem Spannung-Frequenz-Umwandler 18 können zu einem ersten Zähler 40 über einen Teil eines zweiten

werden

Schalters 22 wextergegeben^ Der zweite Schalter 22 ist schematisch dargestellt als ein Paar mechanischer Schalter 23 und 24, welche jeder vier Schaltzustände A bis D haben. Die Schalter 23 und 24 haben Schaltarme 25 bzw. 26, welche sich über Kontakte 27 bis 30 bzw. 31 bis 34 synchron und nacheinander bewegen. Jedes Kontaktpaar 27 und 31, 28 und 32 usw. ist repräsentativ für einen bestimmten Schaltzustand A bis D. Der Frequenzumwandler 18 ist mit dem ersten zähler 40 verbunden, wenn Schalter 23 die Schaltzustände B oder D einnimmt, also wenn der Arm 25 die Kontakte 28 bzw. 30 berührt. Der zweite Schalter kann durch jede Schalteinrichtung geeigneter bekannter Art dargestellt werden, beispielsweise durch Festkörperschalteinrichtungen.

Der erste Zähler 40 ist ein digitaler Zähler, welcher aus dem Frequenzumwandler 18 eingehende Impulse speichert und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, welches für den in ihm gespeicherten Wert repräsentativ ist und in einer digitalen Anzeigeeinrichtung, einem Registriergerät o.dgl. weiterverarbeitet wird. Außerdem liefert der erste Zähler 40 ein Steuersignal, wenn er eine volle Zählung erreicht, und dieses wird dann über Leitung T 6.5 zu einer logischen Programmschaltung 70 weitergegeben. Die in der Zeichnung dargestellten Leitungen (P 6, T 7 usw.), die die verschiedenen Elemente mit der logischen Schaltung 70 verbinden, sind nicht notwendigerweise getrennte oder einzelne Leiter, sondern sie sind lediglich zur Vereinfachung der Beschreibung des dargestellten Ausführungsbeispxels gewählt worden, um verschiedene Steuerfunktionen und das Zusammenwirken bestimmter Einrichtungen darzustellen. Die Verbindungen können aus einem oder mehreren Leitern bestehen, jedoch können sie auch Kopplungen oder physikalische Wirkungen bestimmter Art sein. Die logische Schaltung 70 ist eine elektronische logische Schaltung, welche die

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Ί b a ι a a

Gesaratwirkungsweise des dargestellten Systems steuert. Sie kann aus binären Zählern, logischen Toren oder anderen ähnlichen logischen Einrichtungen aufgebaut sein, welche in beliebiger zweckmäßiger Weise nach bekannten technischen Grundsätzen aufgebaut sein können, sobald die grundsätzliche Wirkungsweise des Systems festgelegt ist. Die logische Schaltung 70 ist mit dem ersten Schalter 16, dem zweiten Schalter 22 und dem ersten Zähler 40 verbunden, Sie ist außerdem mit einem zweiten Zähler 46, einer Ausgabeeinrichtung 60 und einer Zeitbasisschaltung 44 verbunden. Der genaue Zweck dieser Verbindungen und die Steuerfunktionen der logischen Schaltung werden im Zusammenhang mit der Arbeitsweise des Systems noch beschrieben werden.

Die Zeitbasisschaltung 44 hat die Aufgabe, die Betriebszeit des ersten Zählers 40 zu steuern, und allgemein auch den Verarbeitungskanal, der durch den Umformer 18, den Schalter 22, den ersten Zähler 40 und eventuelle andere Schaltungselemente, welche wahlweise noch in dem Kanal vorhanden sein können, gebildet ist. Im Gegensatz zu bekannten integrierenden Digitalvoltmetern ist die durch die Zeitbasisschaltung 44 gegebene Zeitsteuerung nicht fest, sondern sie ist von Ablesung zu Ablesung variabel? noch wichtiger ist, daß sie zwecks Eichung des Instrumentes geändert wird. Diese variable Steuerung wird im Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Digitalvoltmeters noch beschrieben werden.

Die Zeitbasisschaltung 44 enthält bei der vorliegenden Ausführungsform einen Taktgeber 50, welcher Impulse mit konstanter Folgefrequenz und guter Kurzzeitkonstanz erzeugt. Vorzugsweise ist der Taktgeber ein kristallgesteuerter Oszillator. Der Ausgang des Taktgebers 50 ist mit dem zweiten Zähler 46 durch einen Teil des zweiten Schalters 22, der bereits als Schalterteil 24 erwähnt wurde, verbunden. Durch diesen Schalterteil 24 werden Impulse zu dem zweiten Zähler 46 weitergegeben, wenn der Schalter die Schaltzustände B oder P einnimmt, also wenn der Schaltarm 26 mit den Kontakten 32 und 34 zusammenarbeitet. Wenn nun der Umwandler 18 Impulse zu dem ersten Zähler 40 liefert, gelangen von

dem Taktgeber 50 Impulse zu dem zweiten Zähler 46. Der zweite Zähler 46 kann entweder doppelseitig gerichtet sein, oder er kann aus zwei einzelnen Zählern bestehen, zwischen denen sich ein Koinzidenzkomparator befindet. Die Ausführungsform mit zwei Zählern und einem Komparator erlaubt, daß mehrere aufeinanderfolgende Messungen vorgenommen werden können, ohne daß es nötig ist, mit einem anderen Bezugsignal nachzueichen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Erfindung in einem Additionsoder Subtraktionssystem angewendet werden soll. Jedesmal, wenn der doppelseitig gerichtete zähler Null erreicht (oder wenn in einer Zweizählerariordnung der Komparator Koinzidenz feststellt), wird ein "Null¹¹ bzw. "Halt¹*-Ausgangssignal erzeugt, welches über Leitung T9 zur"logischen Schaltung 70 gelangen kann. Die logische Schaltung 70 schickt dann ihrerseits ein Signal über eine der Leitungen TlO zum Schalter 22, welcher hierdurch veranlaßt wird, die Eingänge zu den zählern 40 und 46 zu unterbrechen. Im Rahmen des Erfindungsgedankens kann auch so vorgegangen werden, daß der "HaIt"-Ausgang aus dem zweiten Zähler 46 mit anderen Elementen des Kanals verbunden wird, um die Messung zu unterbrechen.

Wenn Zähler 46 ein doppelseitig gerichteter Zähler ist, arbeitet er in Vorwärtsrichtung, wenn Impulse von dem Taktgeber 50 über Schaltzustand B geliefert werden (beispielsweise wenn Schaltarm 26 mit Kontakt 32 zusammenarbeitet), und er arbeitet in entgegengesetzter Richtung, wenn sich Schalter 24 im Schaltzustand D befindet (beispielsweise wenn Schaltarm 26 mit Kontakt 34 zusammenarbeitet) . Wenn sich nun der Schalter 23 im Schaltzustand B befindet und der erste zähler 40 Impulse von dem Umwandler 18 erhält, nimmt Schalter 24 auch den Schaltzustand B ein und empfängt die Impulse von dem Taktgeber 50, so daß er den zweiten Zähler 46 in Vorwärtsrichtung betätigt. Wenn sich dagegen der Schalter 23 im Schaltzustand D befindet und der erste Zähler 40 Impulse von Umwandler 18 empfängt, liefert der Taktgeber 50 Impulse über den sich ebenfalls im Schaltzustand D befindenden Schalter 24, so daß der zweite Zähler 46 in entgegengesetzter Richtung betätigt wird. Wenn demgegenüber zwei Zähler und ein Komparator als zweiter Zähler verwendet werden, gibt es keine entgegengesetzte Richtung.

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Es wird zunächst ein erster zähler betätigt, und es wird dann ein zweiter Zähler betätigt, bis Koninzidenz besteht und das "Halt"-Signal gegeben wird.

An Hand der beschriebenen Schaltung wird nun die Wirkungsweise des digitalen Voltmeters gemäß der Erfindung erläutert. Bei dieser Beschreibung werden die Leitungen, die die logische Programmschaltung 70 mit den anderen Elementen verbinden, mit einem "T" und einem Zusatz bezeichnet, wobei die Zusätze, die mit "6" beginnen, die ungefähre Folge der Operationen der logischen Schaltung angeben. Es wird beispielsweise zuerst ein Signal über Leitungen T6 geliefert, dann tritt T6.5 in Tätigkeit usw. Diese Folge ist jedoch lediglich ein Ausführungsbeispiel. - Bei Arbeitsbeginn liegt der Schaltarm 13 des Schalters 16 am Kontakt 14, so daß die Bezugssxgnalquelle 10 mit dem Umwandler 18 verbunden ist und der Umwandler 18 Impulse mit einer Folgefrequenz erzeugt, die der Höhe der Bezugsspannung proportional ist. Der zweite Schalter 22 befindet sich zu Beginn im Schaltzustand A, und alle Zähler sind auf Null gestellt. Es kann nun ein geeignetes automatisches Steuersignal erzeugt werden, oder es kann mit der Hand, beispielsweise mit einem Betätigungsknopf, dafür gesorgt werden, daß die logische Schaltung 70 über Leitung T6 ein Signal erzeugt, welches Schalter 22 zum Ansprechen bringt. Der Schalter 22 wird dann in den Schaltzustand B versetzt, und zwar durch das Signal über Leitung T6 zwischen der logischen Schaltung und dem zweiten Schalter. Es werden nun gleichzeitig Impulse zum ersten Zähler 40 durch Umwandler 18 und zum zweiten Zähler 46 durch Taktgeber 50 geliefert. Die beiden Zähler beginnen dann, Impulse zu akkumulieren, bis der erste Zähler 40 den vollen Wert der Zählung erreicht hat. Bei diesem vollen Wert erzeugt der erste Zähler 40 ein Ausgangssignal, welches über Leitung T6.5 zu der logischen Schaltung 70 weitergegeben wird. Die logische Schaltung 70 liefert daraufhin sofort ein Signal über T7, welches den zweiten Schalter 22 in den Schaltzustand C versetzt, so daß der Betrieb beider Zähler unterbrochen wird und der erste Zähler 40 in der angegebenen Weise auf "Null" gestellt wird. (Es kann auch innerhalb des Zählers durch geeignete Mittel dafür gesorg/t sein, daß die Rückstellung erfolgt, wenn der

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volle Wert der Zählung erreicht ist, oder es kann auch das in Leitung 17 auftretende Signal für diesen Zweck verwendet werden). Im Schaltzustand C sind die Zähler 40 und 46 nicht in Betrieb. Bei diesem Punkt der Betriebsweise des Instrumentes ist in dem zweiten Zähler 46 ein Signal oder ein Wert gespeichert, welcher für die Zeit, in der der erste Zähler 40 eine volle Zählung erreichte, repräsentativ ist. Dieses im zweiten Zähler 46 gespeicherte Signal dient als Zeitbasis für die anschließende Messung des unbekannten Signals, das durch einen geeigneten Signaleingang geliefert wird. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die in dem zweiten Zähler 46 gespeicherte Zeitbasis dadurch eingestellt bzw. geändert werden kann, daß die Bezugsspannung geändert wird, da die absolute Zeit, die gespeichert wird, sich unmittelbar mit der Änderung der Bezugsspannung ändert.

Wenn die Zeitbasis festgelegt ist, wird der erste Schalter 16 in den Schaltzustand B versetzt, und nach einer kurzen Wartezeit (z.B. 5-2o msec) zur Stabilisierung des Umwandlers wird der zweite Schalter 22 in den Schaltzustand D versetzt. Dies wird dadurch erreicht, daß die logische Schaltung 70 über Leitungen T7.5 bzw. T8 Signale liefert. Nun wird an den Umwandler 18 eine unbekannte Eingangsspannung angelegt. Die unbekannte Eingangsspannung bewirkt, daß der Umwandler 18 Impulse zum ersten Zähler 40 schickt, wobei die Impulsfolgefrequenz proportional der Höhe oder der Stärke des unbekannten Eingangssignals ist, während Taktgeber 50 den zweiten Zähler in entgegengesetzter Richtung gegen Null (oder auf den Zustand der Koinzidenz) schaltet. Sobald der zweite Zähler 46 seinen Null-Zustand (oder den Zustand der Abgleichung) erreicht, wird ein Steuersignal erzeugt, also das Halt-Signal, welches zur logischen Schaltung 70 über Leitung T9 geliefert wird_r so daß die logische Schaltung 70 praktisch sofort ein Signal über Leitung TlO zum zweiten Schalter 22 schickt, welcher beide Zähler durch Schaltung der Schalter 23 und 24 in den Zustand A stillsetzt. Eine Leitung TlO bewirkt auch, daß der Schalter 16 in den Zustand A zurückversetzt wird, so daß sich der Frequenzumwandler 18 für die nächste Messung stabilisieren kann. Kurze Zeit später wird die Zählung aus dem ersten Zähler

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ausgegeben durch Ausgabeeinrichtung 60, welche hierzu durch ein Signal aus de» logischen Schaltung 70 über Leitung TIl veranlaßt wird. Nach einer kurzen Verzögerung wird zähler 40 über ein Signal auf Leitung T12 in den Zustand "Null" zurückversetzt. Der aus dent ersten Zähler ausgegebene Wert" ist für die Stärke des Eingangs signals repräsentativ, und wenn dieser Viert in der Ausgabeeinrichtung 60 gespeichert ist, steht das System für die nächste Messung zur Verfügung.

Die Tatsache, daß die erhaltene Ausgabe bzw.. Ablesung repräsentativ ist für die Stärke des unbekannten Eingangssignals, ergibt sich aus der Beziehung, daß das Signal in dem ersten Zähler das Verhältnis des unbekannten Eingangssignales zu dem Bezugssignal ist. Durch zweckmäßige Wahl dieses Verhältnisses kann ein digitales Voltmeter dargestellt werden. Die entsprechende Beziehung wird nunmehr an Hand einer vereinfachten mathematischen Ableitung näher erläutert. Es seit

T = Periode

Index 1 = erster Teil der Nessung, also Aofrage des Bezugswertes

Index 2 = «weiter Teil der Messung, also Abfrage des unbekannten Eingangs

N = Zahl der Impulse, die in dem ersten Zähler gespeichert sind
V_R - Bezugsspannung

V- ^a unbekannte Eingangsspannung

K = Urawandlungsfaktor des Umwandlers Unter Verwendung dieser Symbole kann geschrieben werden:

^Tl ^{= N}l - ί und (1)

v_R . K₁

^Nl - ^Tl - ^VR · ^Kl ⁽²⁾

In entsprechender Heise ist

N₂ = T₂ . V_s . K₂ (3)

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Da eine digitale Zeitbasis verwendet wird, ist die Periode T₂ gleich T, :

T₂ = T₁ .

Dann kann Gleichung (3) umgewandelt werden in
N₂ = T₁ . V_s . K₂ (4)

Beide Messungen (T. und T₂) werden in schneller Folge
durchgeführt. Es kann daher angenommen werden, daß der Umwandlungsfaktor K₂ gleich K₁ ist:

K₂ = K₁

Wenn man K₁ in Gleichung (4) einsetzt,erhält man
N₂ = T₁ . V₃ . K₁ (5)

Setzt man nun Gleichung (1) für T, in Gleichung (5) ein, so
erhält man

	N.	> = ^N-	• ^vs	1	. K₁
	das	kann	werden:
und	N	> = N₁		(6)
		I ι
	1 · ^λ
V_R . K
geschrieben
. . ^Vs
^{1 V}R

Die Gleichung (6) zeigt, daß N₂ (die in der digitalen Ausgabeeinrichtung erscheinende Zahl) das Verhältnis der unbekannten Eingangsspannung zu der Bezugsspannung ist, multipliziert mit dem Skalenfaktor N₁ . N₁ ist definiert als eine volle Zählung bei dem ersten Zähler, und es kann daher auch geändert werden in 1O^X; Gleichung (6) wird dann wie folgt geschrieben:

N₀ = ^VS . io^x (7)

^{2 V}

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Wenn eine geeignete Bezugsspannung gewählt ist, wird der oben beschriebene Verhältnis-Messer ein Voltmeter. Setzt man beispielsweise 10 V als Bezugsgröße in Gleichung (6) ein, so erhält man

N₉	= N .	^vs
		10
N₂		• ^vs

(8)

Substituiert man wieder eine volle Zählung für N₁, so daß

N₁ = 10 ist, so wird Gleichung (8) wie folgt geschrieben:

_l0 ..S
= ΙΟ*"¹ . V_s (9)

Gleichung (9) zeigt, daß die Zahl N₂/ welche in der digitalen Ausgabeeinrichtung erscheint, die unbekannte Eingangsspannung wiedergibt. Die obige Untersuchung ergibt, daß die Langzeit-Stabilität des beschriebenen Systems unabhängig von dem Umwandlungsfaktor und Taktgeberstabilitäten ist, da sich diese bei jedem Meßzyklus aufheben. Aus der obigen Beschreibung kann man auch erkennen, daß Langzeit- und Temperaturstabilität lediglich eine Punktion der Charakteristik der Bezugsspannung ist. Nichtlinearität und Alterungseinflüsse bei dem Umwandler und dem Talctgeber werden bei jedem Meßzyklus eliminiert. Außerdem ermöglicht die Speicherung der Zeitbasisinformation in digitalen Zählern eine Warteperiode zwischen verschiedenen Stufen des Meßzyklus. Diese Warteperiode eliminiert alle Ungenauigkeitsprobleme, welche sich aus Schaltstößen und der Stabilisierungszeit ergeben. Die automatische Einstellung der Zeitbasis über einen weiteren Bereich von Bezugsspannungen ermöglicht die Darstellung eines Systems mit extremer Flexibilität, und sie ermöglicht außerdem, daß die Arbeitsweise des Systems den jeweils gewünschten Rauschkurven in vorteilhafter Weise angepaßt werden kann.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung bietet auch ein sehr gutes Auflösungsvermögen, wobei im Vergleich zu Einrichtungen, die

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nach anderen Verfahren arbeiten, eine sehr günstige Koatensituation besteht. Wenn der erste Zähler doppelseitig gerichtet ausgebildet ist, kann die Messung des unbekannten Signals bei guter Genauigkeit integrierend arbeiten, ohne daß Fehler durch Übergangsvorgänge auftreten.

Die Beschreibung der Erfindung und ihrer Vorteile bezog sich in erster Linie auf die Arbeitsweise als digitales Voltmeter. Die Erfindung kann jedoch auch für viele andere Aufgaben eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Einrichtung gemäß der Erfindung als Verhältnismesser ausgebildet werden, indem an Stelle des Bezugssignals eine unbekannte Spannung gesetzt wird, oder sie kann auch als Analog-Digital-Umsetzer verwendet werden, und in noch allgemeinerer Anwendung kann das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel derart abgeändert werden, daß die Funktion der Addition oder Subtraktion ausgeführt werden kann.

Um eine Additionsfunktion ausführen zu können, wird man allgemein vor allem eine ILnderung dahingehend vornehmen, daß zusätzlich Eingangs-Schaltelemente an die Schalteinrichtung 16 angefügt werden, so daß mehrere unbekannte ETingänge nacheinander gewählt werden können. Der zweite Zähler 46 erfordert ebenfalls eine Änderung, und zwar dahingehend, daß er beispielsweise durch zwei einzelne Zähler (46a und 46b) ersetzt wird, zwischen denen ein Koinzidenzdetektor vorhanden ist. Diese beiden Zähler haben eigene Rückstelleingänge, so daß einer von ihnen (46a, Vorwärtseingang) die digitale Zeitbasis speichern kann, während der andere Zähler (46b Rückwärtseingang) verwendet werden kann, um die Zeitbasis mehrmals zu wiederholen. Für jede Wiederholung wird der Zähler 46b zunächst auf "Null Null" zurückversetzt, und der Eingangsschalter wird dann zum nächsten unbekannten Eingangssignal fortgeschaltet; nach einer kurzen Wartezeit, die für die Stabilisierung erforderlich ist, wird der Schalter 22 gleichzeitig in den Schaltzustand D versetzt. Der erste Zähler 40 speichert erneut Impulse aus dem Umwandler (tatsächlich werden diese Impulse zu der zahl hinzuge-

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if

fügt, die von der vorangegangenen Messung gespeichert war), während der Zähler 46b Impulse von dem Taktgeber speichert. Jedes Mal, wenn der Komparator die Koinzidenz zwischen den Zählern 46ä und 46b feststellt, erzeugt er ein Steuersignal ("Null"-Ausgang) , welcher veranlaßt, daß der Schalter 22 gleichzeitig auf den Schaltzustand A schaltet. Die endgültige Zahl, welche in dem Zähler 40 angezeigt wird, ist dann die Summe der unbekannten Eingangsspannungen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen AusfUhrungsbeispiele beschränkt, sondern sie kann im Rahmen fachmännischen Handelns in geeigneter Weise abgeändert oder weiter ausgebildet werden.

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Claims

- *s _ 1591393 Patentansprüche

1. Elektrische Meßeinrichtung zur Verarbeitung zweier Eingangssignale , gekennzeichnet durch einen mit den beiden Signal-Eingängen gekoppelten Umwandler zur Umwandlung eines Signals in eine Signalfrequenz, welche der Größe einer gegebenen charakteristischen Eigenschaft des umzuwandelnden Signals proportional ist; einen ersten Schalter, welcher den Umwandler mit den Signal-Eingängen selektiv derart koppeln kann, daß dieser selektiv eine Signalfrequenz erzeugt, die einem der Eingangssignale proportional ist; einen ersten Zähler, welcher eine dem Ausgang des Umwandlers proportionale Zählung liefert und ein Ausgangssignal erzeugt, wenn nach einer ersten Zählperiode eine vorgegebene Zählung am Zähler vorhanden ist; und eine Zeitbasisschaltung, welche die Zeit berechnet, die der Zähler für die vorgegebene Zählung in der ersten Zählperiode benötigt, in der das erste Eingangssignal am Umwandler liegt, welche die errechnete Zeit speichert, und welche den ersten Zähler für die errechnete Zeit während einer zweiten, auf die erste Zählperiode folgenden Zählperiode in Betrieb hält, in der das zweite Eingangssignal an dem Umwandler liegt, so daß die Meßeinrichtung im wesentlichen unbeeinflußt ist von Unstabilitäten und Nichtlinearitäten des Umwandlers.

2. Elektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Eingangssignal ein Bezugssignal und das zweite Eingangssignal ein zu messendes unbekanntes Signal ist, daß die Signalfrequenz des Umwandlers der Spannung des umzuwandelnden Eingangssignals proportional ist, daßeer erste Schalter wenigstens einmal in vorgegebener Reihenfolge das erste Eingangssignal und dann das zweite Eingangssignal an den Umwandler legt, daß der erste Zähler eine Zählung liefert, welche der Zahl der von dem Umwandler gelieferten Schwingungsperioden proportional ist, und das Ausgangssignal liefert, wenn das Bezugssignal an dem Umwandler liegt, und daß die Zeitbasisschaltung durch das Ausgangssignal des ersten Zählers gesteuert wird.

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3. Elektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitbasisschaltung einen Taktgeber enthält, welcher Impulse mit konstanter Folgefrequenz erEeugt, dass ein zweiter Zähler die Zahl der Impulse zählt, welche von dem Taktgeber erzeugt werden, und ein Halt-Signal erzeugt, wenn eine vorgegebene Ablesung erreicht ist, und daß die Meßeinrichtung auch einen zweiten Schalter enthält, welcher mehrere Schaltstufen hat, durch die der Umwandler mit dem ersten Zähler gekoppelt wird, und mehrere Schaltzustände, durch die der Taktgeber mit dem zweiten Zähler gekoppelt wird, wobei der zweite .Schalter den Umwandler mit dem ersten Zähler synchron mit der Verbindung des Taktgebers der Zeitbasisschaltung mit dem zweiten Zähler während eines vorgegebenen Teiles der Arbeit der Meßeinrichtung verbindet.

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BAD ORIGINAL

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