-
Schaltungsanordnung zur digitalen Messung analoger Monxgrössen Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung analoger Messgrössen,
mit einem Strom-Frequenzwandler, der einen Operationeverstärkdr aufweist, dessen
Eingang ueber einen Kondensator an den Ausgang gekoppelt ist und welchem beim Ansprechen
eines dem Operationsverstärker nachgeschalteten Schwellenschalters ein von einem
Stromgenerator erzeugter Stromimpuls zugeftihrt wird, und mit einem Impulszähler,
der die Ausgangsimpulse des Strom-Frequenzwandlera während einer Zeitdauer zählt,
die durch eine vorgegebene Anzahl Perioden eines Zeitbasisgenerators festgelegt
ist
Bei bekannten Schaltungsanordnungen zur digitalen Messung analoger
Mesegrdssen, beispielsweise bei sogenannten digitalen Volt- oder Wattmetern, XU88
ein Zeitbasisgenerator mit äußerst stabiler Frequenz verwendet werden, weil sich
Schwankungen derselben unmittelbar auf das Mesaresultat auswirken. Ebenso muss die
Ladung der vom Stromgenerator erzeugten Stromimpulse genau konstant sein. Diese
beiden Forderungen könnten bei einer verlangten Nessgenauigkeit nur durch entsprechend
grossen technischen Aufwand und durch die Verwendung teurer Bauteile erfüllt werden.
-
Die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen werden erfindungagemäss
dadurch behoben, dass der Stromgenerator jeweile während mindestens einer nach dem
Ansprechen des Schwellenachalters folgenden Periodendauer einer Referenzimpulsfolge
eingeschaltet ist, deren Impulsfolgefrequenz der Frequenz des Zeitbasisgenerators
proportional ist.
-
Nachfolgend werden einige Ausführungebeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipsohaltbild eines digitalen Voltmeter
und Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines digitalen Wattm.ters.
-
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Strom-Frequenzwandler, der eine Impulsfolge
mit der Nessspannung U proportionaler Impulsfolgefrequenz fq erzeugt. Ein Eingang
2 eins Operationsverstärkers 3 ist Uber einen Widerstand 4 an die Messspannung U
und über einen Kondensator 5 an den Ausgang 6 gekoppelt. Eine Maseleitung 7 des
Operationsverstärksrs 3 iet an Nullpotential gelegt. Ein dem Operationeverstärker
3 nachgeschalteter Schwellenschalter 8 ist an einen Vorbereitungseingang 9 einer
bistabilen Kippstufe 10 angeschlossen, welche einen Stromgenerator 11 derart steuert,
dass dieser im umgekippten Zustand der Kippstufe 10 eingeschaltet iet und dem als
Miller-Integrator arbeitenden Operationeverstärker 3 einen konstanten Strom 10 zuführt.
Ein an einem Triggereingang 12 der bistabilen Kippstufe 10 angeschlossener Zeitbasisgencrator
13 erzeugt eine Referenzimpulsfolge mit der Impulsfolgefrequenz fo.
-
Dic Ausgangsfrequenz fa des Strom-Frequenzwandlers 1 ist über eine
Torschaltung 14 einem Impulszähler 15 zugeführt.
-
Ein an den Zeitbasisgenerator 13 angeschlossener Frequensuntersetzer
16 steuert die Torschaltung 14 derart, dass diese während einer vorgegebenen Anzahl
m aufeinanderfolgender Perioden T0 f n der Referenzimpuisfolge geöffnet ist. Eine
0 Rücketelischaltung 17 stellt den Impulazähler 15 und den Frequensuntersetser 16
periodisch auf Null. Dt. vor der Rückstellung erreichte Impulszahl N des Impulazählers
15 wird in einem Ziffernanzeigegerät 18 angezeigt.
-
Die Arbeitsweise des Operationeveratärkers 3 kann als bekanat vorausgeset;t
werden. Ein der Messspannung U proportionaler Strom I1 lädt den Kondensator 5 auf,
die Spannung am Ausgang 6 steigt positiv linear an. Der Schwellenschalter 8 befindet
sich vorerst im nicht angesprochenen Zustand und am Vorbereitungseingang 9 liegt
ein Sperreignal, das die bistabile Kippstufe 10 daran hindert, auf die vom Zeitbasisgenerator
19 abgegebenen Impulse anzusprechen. Sobald die Spannung am Ausgang 6 des Operationsverstärkers
3 den Schwilwert des Schwellenschaltere 8 erreicht, spricht dieser an und die bistabile
Kippetufe 10 wird freigegeben. Beim nächsten am Triggereingang 12 eintreffenden
Impuls der Referenzimpulsfolge f0 kippt die bistabile Kippetufe 10 und der Stromgenerator
11 liefert an den Eingang 2 des Operationsverstärkers 3 einen konstanten Strom Io
Durch die Entladung des Kondensators 5 kippt der Schwellenschalter 8 wieder zurück.
Beim nachfolgenden, vom Zeitbasisgenerator 13 abgegebenen Impuls kippt auch die
bistabile Kippetufe 10 in den ursprünglichen Zustand zurück. Dieser Vorgang wiederholt
sich periodisch.
-
Der Stromgenerator 11 ist also Jeweils während der nächsten, nach
dem Ansprechen des Sohwell.nschalters 8 folgenden Periodendauer T0 der vom Zeitbasisgenerator
13 erzeugten Referenzimpulsfolge eingeschaltet. Wird vorerst davon abgesehen, dass
die an den Eingang 2 gelieferten Stromimpulse in bezug auf den Ansprechzeitpunkt
des Schwellenschaltere 8 um einen
zwischen den Grenzen Null und
T0 statistisch ochwankendon Wert verzögert sind, so gilt für die Impulsfolgefrequenz
die bekannte Beziehung
wobei R den Widerstandswert des Widerstandes 4 bedeutet.
-
Während einer Zeitdauer Tm = m . To = m/fo werden die Ausgangsimpulse
des Strom-Frequenzwandlers 1 in den Impulezähler 15 eingezählt. Die während dieser
Zeitdauer gezählte Impulse zahl N = Tm a fa wird im Ziffernanzeigegerät 1B angezeigt.
-
Es gilt:
Die Anzeige des Ziffernanzeigegerätes 18 ist also ein Masts für die Spannung U.
Der Proportionalitätefaktor m/R . Io ist von der Referenzfrequenz fo unabhängig.
Das bedeutet aber, daes die Referenzfrequenz fo in weiten Grenzen schwanken darf.
Als Zeitbasisgenerator 13 kann deshalb vorzüglich ein freischwingender Oszillator
verwendet werden.
-
Infolge der etatistisoh schwankenden Verzögerung der an den Eingang
2 abgegebenen Impulse schwankt die Frequenz fa bei konstanter Xessgrösse U um einen
konstanten Mittelwert.
-
Diese Schwankungen sind um so kleiner, Je besser die Bedingung Ta
» T0 erfüllt ist, wobei Ta = 1/fa die Periodendauer der vom Strom-Frequenzwandler
1 abgegebenen Impulse bedeutet. Da jedoch nur der über die Zeitdauer Tm betrachtete
zeitliche Mittelwert der Ausgangsfrequenz f, a ausgewertet wird, können statistische
Schwankungen derselben mit genügender Genauigkeit vernachlässigt werden, so dass
einzig die Forderung To < 1/fmax erfüllt sein muss, wobei fmax den Maximalwert
der Ausgangsfrequens fa bedeutet.
-
Anstelle der bistabilen Kippstufe 10 kann eine Zählschaltung eingesetzt
werden, die den Stromgenerator 11 derart steuert, dass dieser nach dem Ansprechen
des Schwellenschalters 8 während einer vorgegebenen Anzahl n aufeinanderfolgender
Perioden T0 der Referenzimpulsfolge fo eingeschaltet ist.
-
In diesem Fall ist die Impulsbreite der vom Stromgenerator 11 abgegebenen
Stromimpulse n-mal so gross wie die maximal mögliche Verzögerung dieser Impulse.
-
Die Schaltungsanordnung nach der Fig. 2 unterscheidet sich von derJenigen
der Fig. 1 nur dadurch, dass die Referenzfrequenz fO nicht dem Strom-Frequenswandler
1, sondern einem weiteren, gleich aufgebauten Strom-Frequenzwsndler 19
zugeführt
ist, dessen Stromgenerator Jeweils während der nächsten nach dem Ansprechen des
Schwellenschalters folgenden Periodendauer der Referenzimpulefolge fo eingeschaltet
ist. Die Ausgangsfrequenz fo2 des Strom-Frequenzwandlers 19 dient dem Strom-Frequenzwandler
1 als Referenzfrequenz.
-
Es gilt:
Dabei bedeutet Io2 den vom Stromgenerator des Strom-Frequenzwandlers 19 erzeugten
Strom. Somit wird: und
Die vom Impulszähler 15 gezählte Impulszahl N ist also ein Mass für die Leistung
P - U . I. Der Proportionalitätsfakm tor R . IO . Io2 ist von der Referenzfrequenz
fO unabhängig.