DE19640922C1 - Meßgerät für den Phasenwinkel zwischen Wechselsignalen gleicher Frequenz, aber wechselnder Reihenfolge - Google Patents

Description

Auf den verschiedensten Gebieten der Technik werden die Phasenwinkel zwischen zwei Wechselsignalen gleicher Frequenz gemessen. Über den Phasenwinkel lassen sich Aussagen über das Verhalten des Gegenstandes machen, der die Signale erzeugt. Ein besonders bekanntes Beispiel ist die Phasenwinkelmessung zwischen Strom und Spannung bei elektrischen Maschinen, bei dem der Phasenwinkel zur Berechnung des elektrischen Wirkungsgrades der elektrischen Maschine benötigt wird.

Für die Phasenwinkelmessung gibt es je nach Art der zu messenden Wechselsignale unterschiedliche Meßgeräte (DE 25 41 163 C2; US 4,267,514). Bei beiden bekannten Meßgeräten sind Mittel zur Frequenzteilung vorgesehen. Bei beiden Meßgeräten erhält man bei kleinen positiven und negativen Phasenverschiebungen in ihren Absolutwerten sehr unterschiedlich große Ausgangssignale. Der Unterschied in diesen Werten wird um so größer, je kleiner die Phasenverschiebung ist. Das bedeutet, daß das Meßgerät für sehr unterschiedlich große Ausgangssignale eingerichtet sein muß. Das hat zur Konsequenz, daß seine Meßgenauigkeit nicht besonders groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät für den Phasenwinkel zwischen zwei Wechselsignalen gleicher Frequenz zu schaffen, das bei einem einfachen Aufbau auch kleine Phasenverschiebungen mit hoher Genauigkeit mißt. Es soll insbesondere auch eine Aussage darüber liefern, ob eine positive oder negative Phasenverschiebung zwischen den Wechselsignalen vorliegt.

Diese Aufgabe wird mit einem Meßgerät für den Phasenwinkel zwischen zwei Wechselsignalen gleicher Frequenz dadurch gelöst, daß das Gerät zwei Frequenzteiler mit gleichem Teilungsverhältnis für die beiden Wechselsignale, einen einem Frequenzteiler zugeordneten Inverter, eine EX-OR-Verknüpfung für die beiden Ausgangssignale der Frequenzteiler und eine Auswertschaltung für das Impulspausenverhältnis des Ausgangssignals der EX-OR-Verknüpfung umfaßt.

Das erfindungsgemäße Meßgerät ist im Aufbau einfach, weil es sich aus einer Kombination herkömmlicher Komponenten zusammensetzt. Das von der EX-OR-Verknüpfung gelieferte Rechtecksignal liefert mit seinem Impuls-Pausenverhältnis eine Aussage über die Größe der Phasenverschiebung. Bei 0° Phasenverschiebung sind die Impulse und die Pausen gleich lang. Sind die Impulse länger als die Pausen oder umgekehrt, dann liegt eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen vor. Ein besonderer Vorteil bezüglich der Meßgenauigkeit besteht darin, daß sich für positive und negative Phasenverschiebungen im Absolutwert gleich große Meßwerte ergeben. Das bedeutet, daß auch bei kleinen Phasenverschiebungen mit hoher Meßgenauigkeit gemessen werden kann.

Mit der Erfindung läßt sich nicht nur der Absolutwert der Phasenverschiebung messen, sondern es läßt sich auch feststellen, welches der beiden Eingangssignale gegenüber dem anderen Signal positiv phasenverschoben ist. So ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß einer der beiden Frequenzteiler durch das Ausgangssignal des anderen Frequenzteilers zwangssynchronisiert wird. Die Auswertschaltung kann auf verschiedene Weise ausgestaltet werden, so kann sie auf digitaler Basis, aber auch auf analoger Basis aufgebaut sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Meßgerätes und

Fig. 2 zeigt ein Impulsdiagramm mit zwei gegeneinander phasenverschobenen Wechselsignalen.

Das in Fig. 1 dargestellte Meßgerät umfaßt zwei Frequenzteiler 1, 2. Über Eingänge E1, E2 gelangen zwei bezüglich ihrer gegenseitigen Phasenlage zu untersuchende Wechselsignale A, B, insbesondere Rechtecksignale, gleicher Frequenz auf Frequenzteiler 1, 2, die diese Signale um den Faktor 2 teilen. Während das erste Signal A unmittelbar auf den Frequenzteiler 1 gelangt, wird das zweite Signal B mittels eines am Eingang E2 liegenden Inverters 3 um 180° phasenverschoben. Die Frequenzteiler 1, 2 liefern über ihre Ausgänge Q also in der Frequenz halbierte Rechtecksignale D, E bzw. F an eine EX-OR- Verknüpfung 4. Das Ausgangssignal I dieser EX-OR- Verknüpfung 4, das ein Rechtecksignal ist, wird auf eine Auswertschaltung 5 gegeben, die das Impulspausenverhältnis auswertet, das eine Aussage über die Größe der Phasenverschiebung repräsentiert.

Allein die absolute Größe der Phasenverschiebung reicht in vielen Fällen als Aussage nicht aus. Benötigt wird auch eine Aussage darüber, ob das Eingangssignal A am Eingang E1 gegenüber dem Eingangssignal B am Eingang E2 positiv oder negativ phasenverschoben ist. Da die Frequenzteiler 1, 2 zu Beginn der Messung in einem beliebigen Zustand sein können, gilt es, die beiden Frequenzteiler 1, 2 zu synchronisieren, um die gewünschte Aussage über die positive oder negative Phasenverschiebung zu erhalten. Dies geschieht dadurch, daß das Ausgangssignal des Frequenzteilers 2, das nach zufälliger Ausgangsstellung des Frequenzteilers 2 als Signal E oder F erscheint, über eine Signalumformschaltung 6 in einen Setimpuls umgewandelt wird und auf den Seteingang S des Frequenzteilers 1 gegeben wird.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Meßgerätes wird im folgendem anhand des Impulsdiagrams der Fig. 2 erläutert.

Ausgegangen wird von den beiden gegeneinander phasenverschobenen Rechteckimpulsfolgen A, B, die auf den Eingang E1 und den Eingang E2 gegeben werden. Die Impulsfolge B wird durch den Inverter 3 in die Impulsfolge C invertiert. Die beiden Impulsfolgen A, C werden dann in den Frequenzteilern 1 und 2 halbiert. Aus der Impulsfolge A wird die Impulsfolge D und aus der Impulsfolge B entweder die Impulsfolge E oder F. Welche dieser beiden um 180° phasenversetzten Impulsfolgen am Ausgang des Frequenzteilers 2 erscheint, hängt vom zufälligen Zustand des Frequenzteilers 2 bei Inbetriebnahme ab. Würde man ohne weitere schaltungstechnische Maßnahme die Ausgangssignale E bzw. F auf die EX-OR-Verknüpfung 4 geben, dann würde bei Verknüpfung der von denselben Signalen A, B abgeleiteten Signale D und E sich die Impulsfolge G ergeben. In diesem Fall wäre die Impulslänge größer als die Pause. Würden dagegen die Signale D und F verknüpft, die von denselben Signalen A, B abgeleitet sind, dann würde sich ein umgekehrtes Impulspausenverhältnis ergeben. Eine eindeutige Aussage über die Phasenverschiebung ist so also nicht zu erhalten.

Schaltungsstechnisch ist dieses Problem aber bei der Erfindung durch die Synchronisation der beiden Frequenzteiler 1, 2 gelöst.

Dafür wird die aufsteigende Flanke des Ausgangssignals E bzw. F des Frequenzteiles 2 verwendet. Liefert der Frequenzteiler 1 bei aufsteigender Flanke des Ausgangssignals E bzw. F des Frequenzteilers 2 bereits einen Impuls D, wie es bei der Impulsfolge E der Fall ist, dann bleibt dieser Zustand im Frequenzteiler 1 erhalten, und das Signal D wird nicht verändert. Ist das Ausgangssignal D des Frequenzteilers 1 jedoch 0, wie es bei der alternativ möglichen Impulsfolge F der Fall ist, dann wird der Frequenzteiler 1 geschaltet und liefert nach den ersten Impuls ein Ausgangssignal, wie es bei der Impulsfolge H für den zweiten Impuls dargestellt ist. Anschließend arbeitet der Frequenzteiler 1 wie üblich, d. h. daß er bei jeder aufsteigenden Flanke des Eingangsimpulses A geschaltet wird.

Wie ein Vergleich der Impulsfolgen G und der Impulsfolgen I nach Setzen des Frequenzteilers 1 zeigt, sind die Impulsfolgen gleich.

Für die Auswertung bedeutet das Impulspausenverhältnis folgendes:

Sind die Impulse und die Pausen gleichlang, dann liegt keine Phasenverschiebung vor. Sind die Impulse länger als die Pausen, dann ist das Signal A gegenüber dem Signal B im positiven Sinne phasenverschoben. Sind dagegen die Pausen länger als die Impulse, dann ist die Phase negativ verschoben.

Alternativ zu der beschriebenen Schaltung, bei der die Zwangssynchronisation unter Verwendung eines dem Frequenzteiler 2 vorgeschalteten Inverters erfolgt, kann die gleiche Funktion auch dadurch erreicht werden, daß der Q-Querausgang des Frequenzteilers 2 nicht unmittelbar mit dem D-Eingang entsprechend dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verbunden ist, sondern über eine UND- Verknüpfung, an der auch der Ausgang Q des Frequenzteilers 1 liegt.

Claims (2)

1. Meßgerät für den Phasenwinkel zwischen Wechselsignalen (A, B) gleicher Frequenz mit zwei Frequenzteilern (1, 2) gleichen Teilungsverhältnisses für die beiden Wechselsignale, einem einem Frequenzteiler (2) zugeordneten Inverter (3), einer EX-OR-Verknüpfung (4) für die beiden Ausgangssignale (D, E) der Frequenzteiler (1, 2) und einer Auswerteschaltung (5) für das Impulspausenverhältnis des Ausgangssignals (G, I) der EX-OR-Verknüpfung.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, bei dem einer der beiden Frequenzeiler (1) durch das Ausgangssignal des anderen Frequenzteilers (2) zwangssynchronisiert ist.