DE1935124C3 - Spannungskomparator - Google Patents

Description

zeitig wird ein für die unteren drei Stellen vorgesehener Zähler 15 auf »999« eingestellt. Daraufhin kann die Messung beginnen. Dies bedeute;, daß die erwähnten Rückstellimpulse zu einer Steuerschaltung 7 hin gelangen, die ein Ausgangssignal abgibt, auf das hin ein Relais 21 eine Verbindung zu einem Anschlußpunkt α herstellt. Liegt an der Klemme 1 eine zu messende Spannung E und beträgt die Dämpfung eines Dämpfungsgliedes 2 gleich l/R und ist die Verstärkung eines Vorverstärkers 3 gleich A₁, so wird einem Integralverstärker 4 eine Spannung in der Größe EAJR zugeführt. Der Verstärker 4 beginnt die Integration dieser Eingangsspannung vorzunehmen. Da eine vorgesehene Speicherschaltung 18 sich im Zustand »0000« befindet, gibt ein Spannungsteiler 10 keine Ausgangsspannung ab. Damit stimmt das Ausgangssignal einer Addierschaltung 19 völlig mit dem Ausgangssignal des Dämpfungsgliedes 2 überein. Mit Hilfe der obenerwähnten Rückstellimpulse wird ferner ein oberes Abtastgatter 12 geöffnet, wodurch die Ausgangsimpulse eines Taktimpulsgenerators 11, der Impulse mit einer Frequenz von z. B. 50 kHz abgibt, einer Addier-Subtrahier-Steuerschaltung 14 zugeführt werden. Diese Impulse werden als Subtrahierimpulse dem vierstelligen Zähler 17 derart zugeführt, daß der bei » +1000« eingestellte Zahlenwert verringert wird. Dies bedeutet, daß der gezählte Wert nach 20 Millisekunden gleich »0000« ist und daß die Speicherschaltung 18 die ersten Vollzählimpulse abgibt. Durch diese Speicherschaltung wird die Steuerschaltung 7 derart angesteuert, daß das Relais 21 durch deren Ausgangssignal umschaltet, und zwar zur Klemme b hin. Daher wird die Integration der obengenannten Eingangsspannung EA_xIR beendet, während die Integration einer an der Klemme 20 anliegenden Vergleichsspannung begonnen wird. Da diese Bezugsspannung eine zu der Polarität der obengenannten Eingangsspannung umgekehrte Polarität besitzt, was durch eine Polaritäts-Auswahlschaltung 9 erfolgt, beginnt die Ausgangsspannung des Integrators 4 allmählich abzusinken. Wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers Null wird, gibt der Nulldetektor 6 Signalimpulse an die Steuerschaltung 7 ab. Diese Steuerschaltung schließt daraufhin den Integralschalter 5 und hält damit den Integrierbetrieb an. Gleichzeitig wird das Gatter 13 geschlossen. Da das obere Abtastgatter 12 unterdessen offen bleibt, wird während der Integrierzeitspanne der Bezugsspannung die Anzahl an Taktimpulsen durch den oberen Zähler 17 gezählt. Da die Addier-Subtrahier-Steuerschaltung 14 in einem solchen Fall zusätzliche Impulse abgibt, wird der gezählte Wert als positive Zahl angezeigt. Dies bedeutet, daß bei einer zur Integration der Spannung EA₁IR führenden Integrationszeit T₁ und bei einer zur Integration der Bezugsspannung £_s führenden Integrationszeit T₂ folgende Beziehung erfüllt ist:

+ AE.

(1)

E _ Es Ti₂, R A₁ «,
In dem Fall, daß der obere Zähler 17 vier Stellen besitzt, beträgt der Fehlerausdruck Δ Ε weniger als 0,1 Vo.

Wenn der oben beschriebene Vorgang endet, ist in der Speicherschaltung 18 ein dem Ziffernwert /J₂ entsprechender Kode gespeichert. Dieser Kode wird dem Spannungsteiler 10 zugeführt. Wird dem Spannungsteiler 10 gleichzeitig mit der Beendigung der oben betrachteten Operation von der Steuerschaltung 7 her ein Signal zugeführt, so gibt dieser Spannungsteiler eine Spannung entsprechend einer durch die Beziehung

— «₂//j, · Es

gegebenen analogen Größe mit einer Genauigkeit von 10"⁵ ab. Diese Spannung wird dem Addierer 19 zugeführt. Gleichzeitig wird das Relais 21 umgeschaltet, so daß eine Verbindung mit dem Kontakt α hergestellt wird. Der Verstärkungsgrad des Vorverstärkers 3 wird auf A₂ erhöht. Ferner wird das obere Abtastgatter 12 geschlossen, und das untere Abtastgatter 13 wird geöffnet. Damit wird dem Integrator 4 eine durch den Vorverstärker 3 entsprechend dem A₂-fachen verstärkte Spannung von

EA₁JR ■ Ti =

T₂

Besitzen die von dem Taktimpulsgenerator 11 abgegebenen Taktimpulse die Frequenz/ und beträgt bei durch die Rückstellimpulse eingestelltem oberem Zähler 17, d. h. bei der Einstellung 1000 in dem oben beschriebenen Fall, der Wert gleich /J₁ und betlägt der gezählte Endwert gleich /J₂, so ist /J₁ = JT₁ und „₂ = /Γ₂. ist der Zählfehler durch die Größe/JE gegeben, so ergibt sich folgende Beziehung: E R

"²F 1 F

— ts = Λ L·

zugeführt, woraufhin der Integrator mit der Integration beginnt. Gleichzeitig werden Taktimpulse als Subtrahicrimpulse dem unteren Zähler 15 über eine Steuerschaltung 22 zugeführt. Dadurch wird der bei »999« eingestellte Wert allmählich verringert. Wenn dieser Wert zu »000« gelangt ist und der nächste Impuls als zweiter Vollzählimpuls der Steuerschaltung 7 zugeführt wird, hört der obenerwähnte Integriervorgang auf. Das Relais 21 wird wieder umgeschaltet und stellt eine Verbindung mit der Klemme b her, und die Polaritäts-Auswahlschaltung 9 wird so gesteuert, daß die an der Klemme 20 liegende Vergleichsspannung in ihrer Polarität umgedreht ist zur Polarität der dem Integrator zugeführten Eingangsspannung. Dadurch beginnt die Ausgangsspannung des Integrators4 allmählich abzusinken. In dem obenerwähnten Fall besitzt die Spannung Δ Ε dieselbe Polarität wie die Eingangsspannung, und die gezählten Werte des unteren Zählers 15 werden zu »000« addiert. In dem Fall, daß die erwähnte Spannung Δ Ε und die Eingangsspannung von verschiedener Polarität sind, werden beide Spannungen voneinander subtrahiert. Ist die Ausgangsspannung des Integrators 4 exakt Null, so gibt der Nulldetektor 6 einen Signalimpuls ab, und der Integralschalter 5 wird kurzgeschlossen. Dadurch hört der Integriervorgang auf. Gleichzeitig wird das untere Abtastgatter 13 geschlossen, und der Zählvorgang hört ebenfalls auf. Beträgt das Produkt aus der Zeitspanne der Integrierung des Wertes A₂ und der obenerwähnten Spannung Δ Ε gleich T₃ und wird die Vergleichsspannung £_s während der Integrierzeit T_t integriert, so beträgt die Endstellung des unteren Zählers 15 gleich /J₃, und der Endzählerwert beträgt M₄, da /J₃ = /T₃ und /J₄ = /T₄

ist. Hieraus folgt

AE= ^Es -i . (2)

A₂ /J₃

Aus der obigen Gleichung(l) und der Gleichung (2) ergibt sich

Es

_{= R}

(3)

Handelt es sich bei dem Zähler z. B. um einen siebenstelligen Zähler, so ist in diesem Fall, daß der Dämpfungsgrad i/R gleich 1 ist und daß », = n_s = 1000, A₁ = 1 und A₂ = 1000 sind,

1000

1
1000

«4

1000

1000 Mj + /I₄

1000000

Werden der obere gezählte Wert n₂ und der untere gezählte Wert n₄ so angezeigt, wie sie gekoppelt sind, so kann das Verhältnis der gemessenen Spannung zu der Vergleichsspannung direkt als digitaler Wert mit sieben Stellen angezeigt werden.

Besteht bei dem obigen Beispiel der Spannungsteiler 10 lediglich aus einem Präzisionswiderstand, so »o liegt die Genauigkeit des einzelnen Widerstandselements höchstens in der Größenordnung von lO~⁴«/o als absolute Wertgenauigkeit. Die Genauigkeit eines Teilerverhältnisses kann jedoch ohne weiteres kleiner als 10^-5ffl/o gemacht werden. Damit könnep die der Erfindung zugrunde liegenden Ziele ohne weiteres erreicht werden. In einem solchen Fall muß der gezählte Wert n, größer als der gezählte Wert /i₂ oder zumindest gleich diesem Wert gemacht werden. Wird eine elektrische Spannungsquelle mit einem aktiven Element verwendet, das eine Spannung von /j., E₁₁M₁ abgibt, so kann «., größer gemacht werden als n,. Gleichzeitig ist die Eingangsimpedanz an der Klemme 20 so hoch, daß der Strom, der der elektrischen Spannungsquelle entnommen wird, welche die Spannung E_s abgibt, verringert werden kann.

Die Erfindung kann nun auch z. B. in einem System angewandt werden, in welchem die Summe einer zu messenden Spannung und einer Vergleichsspannung während einer bestimmten Zeitspanne integriert und in welchem dann eine umgekehrte Integration nur mit einer Vergleichsspannung erfolgt, welche eine umgekehrte Polarität zu der erstgenannten Polarität besitzt. Die Dauer, bis die Ausgangsspannung des Integrators Null wird, wird digital bestimmt. Die Erfindung ist andererseits bei einem System anwendbar, bei dem die Summe einer zu messenden Spannung und einer positive und negative symmetrische Haibwellen besitzenden Taktspannung mit einer bestimmten Wiederholungsfrequenz, wie z. B. eine rechteckige oder dreieckige Welle, integriert wird. Wird das Ausgangssignal dabei positiv oder negativ, so wird eine umgekehrte Integration mit einer positiven oder negativen Vergleichsspannung vorgenommen. Mit Hilfe eines reversiblen Zählers erfolgt eine Addition oder Subtraktion der Zeit, während der die positive Bezugsspannung während eines Zyklus zugeführt wird, und der Zeit, während der die negative Bezugsspannung während eines Zyklus zugeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Spannungskomparator mit einer Einrichtung, die zwei Eingangsspannungen, insbesondere eine zu messende Spannung und eine Vergleichsspannung, nacheinander integriert und das Verhältnis der Zeitspannen, innerhalb welcher die integrierten Spannungen gleiche Werte erreichen, als einen einer bestimmten Anzahl von Stellenwerten entsprechenden digitalen Meßwert darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wandlereinrichtung (18, 10, 7) vorgesehen ist, die den digitalen Meßwert in eine analoge Spannung umsetzt, welche von der einen Eingangsspannung, insbesondere der zu messenden Spannung, unter Lieferung einer Differenzspannung subtrahiert wird, die — gegebenenfalls nach Verstärkung — zusammen mit der anderen Eingangsspannung, insbesondere der Vergleichsspannung, integriert wird, und daß das Verhältnis der Zeitspannen, nach Ablauf welcher diese integrierten Spannungen gleiche Werte erreichen, zur Darstellung eines zweiten, einer weiteren bestimmten Anzahl von den genannten Stellenwerten rangmäßig nachgeordneten Stellenwerten entsprechenden digitalen Meßwertes dient.

   30

   Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungskomparator mit einer Einrichtung, die zwei Eingangsspannungen, insbesondere eine zu messende Spannung und eine Vergleichsspannung, nacheinander integriert und das Verhältnis der Zeitspannen, innerhalb welcher die integrierten Spannungen gleiche Werte erreichen, als einen einer bestimmten Anzahl von Stellenwerten entsprechenden digitalen Meßwert darstellt.

   Es ist bereits ein digitaler Spannungskomparator bekannt (»BBC-Mitteilungen«, April 1967, S. 189 bis 192), bei dem »wei Eingangsspannungen integriert werden. Dabei wird eine zu messende Spannung während einer festen Zeitspanne integriert, und dann wird der Eingang der betreffenden Meßanordnung auf eine Bezugsspannung umgeschaltet. Die Zeitspanne, nach Ablauf welcher die Ausgangsspannung des Integrators auf Null zurückgekehrt ist, wird als digitale Größe gezählt. Mit Hilfe eines derartigen Meßsystems ist es zwar möglich, eine Auflösung von besser als ±0,05°/o zu erzielen; eine höhere Meßgenauigkeit als etwa O₁Ol⁰Zo wird mit Hilfe eines solchen Meßsystems jedoch nicht erreicht.

   Es ist auch schon ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung unter Anwendung des sukzessiven Approximationsprinzips mit Hilfe eines Digital-Analog-Kettenleiterumsetzers vorgeschlagen worden (deutsches Patent 1292 179), dessen den Stellenwertigkeiten zugeordnete Digitalstufen über eine Steuerschaltung nacheinander aufgerufen werden und dessen Analogausgang mit einem Eingang eines Vergleichers verbunden ist, dessen anderer Eingang als Analogsignaleingang dient. Bei diesem Verfahren werden der Analogausgang eines ersten, den höheren Stellenwerten zugeordneten Digital-Analog-Umsetzers dem einen Eingang und der Analogausgang eines zweiten, den niedrigeren Stellenwerten zugeordneten Digital-Analog-Umsetzers dem anderen, gleichzeitig über ein Summierglied den Analogsignaleingang bildenden Eingang des Vergleichers zugeführt, und femer werden der Analogausgangswert des ersten Digital-Analog-Umsetzers am Bezugsanschluß stufenweise dem Analogeingangssignal am Summenanschluß angenähert, und anschließend wird der am Bezugsanschluß eingestellte Analogwert festgehalten, und schließlich wird die Summe des Analogeingangssignals und des nunmehr stufenweise veränderten Analogausgangswertes des zweiten Digital-Analog-Umsetzers am Summieranschluß dem Analogwert am Bezugsanschluß angeglichen. Dieses Verfahren gestattet zwar, eine relativ hohe Umsetzgeschwindigkeit zu erzielen. Diese hohe Umsetzgeschwindigkeit wird jedoch unter Inkaufnahme des Nachteils erzielt, daß mit der Eingangsspannung sich mischende bzw. dieser überlagerte Störsignale zu einer fehlerhaften Umsetzung führen können. Derartige Störsignale können dabei relativ leicht auftreten, wenn eine nach dem betreffenden betrachteten Verfahren arbeitende Schaltungsanordnung aus einem Wechselstromnetz ihre Speisespannung erhält.

   Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie ein Spannungskomparator der eingangs genannten Art auszubilden ist, um unter Vermeidung der Auswirkungen von Störsignalen eine höhere Meßgenauigkeit als etwa 0,01%) zu erzielen.

   Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem Spannungskomparator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß eine Wandlereinrichtung vorgesehen ist, die den digitalen Meßwert in eine analoge Spannung umsetzt, welche von der einen Eingangsspannung, insbesondere der zu messenden Spannung unter Lieferung einer Differenzspannung subtrahiert wird, die — gegebenenfalls nach Verstärkung — zusammen mit der anderen Eingangsspannung, insbesondere der Vergleichsspannung, integriert wird, und daß das Verhältnis der Zeiispannen, nach Ablauf welcher diese integrierten Spannungen gleiche Werte erreichen, zur Darstellung eines zweiten, einer weiteren bestimmten Anzahl von den genannten Stellenwerten rangmäßig nachgeordneten Stellenwerten entsprechenden digitalen Meßwertes dient. Die Erfindung bringt gegenüber dem eingangs betrachteten bekannten Spannungskomparator den Vorteil mit sich, daß sie auf relativ einfache Weise, nämlich durch die genannte Aufteilung der Stellenwerte des jeweiligen digitalen Meßwertes, eine höhere Meßgenauigkeit als etwa 0,01 °/o zu erreichen gestattet; die Erfindung zeichnet sich ferner durch den Vorteil aus, daß der jeweils zu messenden Spannung überlagerte Störsignale praktisch keine Auswirkungen auf den jeweiligen Meßwert haben.

   An Hand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

   In der Zeichnung ist ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Spannungsmessung dargestellt. Die zu messende Spannung wird einer Klemme 1 zugeführt. Das Verhältnis der jeweils zu messenden Spannung zu einer an einer Klemme 20 anliegenden Vergleichsspannung kann als digitale Größe mit einer Genauigkeit von 10 ~^e angezeigt werden. Werden zu Beginn einer Messung Rückstellimpulse von einem Taktimpulsgenerator 8 abgegeben, so wird ein für die oberen vier Stellen vorgesehener Zähler 17 eines reversiblen Zählers auf » +1000« eingestellt. Gleich-