DE2022231A1 - Verfahren zur eindeutigen Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen zwei periodischen in ihrer Frequenz gleichen oder nahezu gleichen elektrischen Signalen - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. Baden (Schweiz) .

Verfahren zur eindeutigen Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen zwei periodischen, in ihrer Frequenz gleichen oder nahezu gleichen elektrischen Signalen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur eindeutigen Bestimmung der Phasenverschiebung&Φ zwischen zwei periodischen, in ihrer Frequenz gleichen oder nahezu gleichen Signalen mit Erfassung und algebraischer Summierung der Durchschreitungen ganzzahliger Vielfacher vonoLu'i bei welchem Verfahren die Eingangssignale durch Verstärkung und Begrenzung in Rechteckspannungen umgewandelt werden und der zeitliche Abstand homologer Flanken dieser Rechtecksignale als Mass für die jeweilige Phasenverschiebung dient, wobei die bei ( H Tf )-Durchschreitungen der Phasenverschiebungen auftretenden Unstetigkeiten in der Dauer dieser Rechtecksignale die Erzeugung charakteristischer, auch die Richtung der jeweiligen (dLTi )-Durchschreitung definierender Signale bev/irken, die in einem Vor-Rück- " vrärts-Zähler algebraisch summiert und gespeichert werden.

Phpseniressverfahrfin, die im wesentlichen auf diesem Prinzip beruhen, sind bereits vorceschla/jen worden. Der Artikel "High-speed digital phaserneter" in der Zeitschrift "Electronic Engineering" vorn April

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»AD ÖRlGfN_ÄL

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1968, S. 206-212; beschreibt ein digitales Phasemeter zur Bestimmung von Phasenverschiebungen von mehrmals (bis zu 15 mal) jLif . Dabei wird eine Zeitvergleichsmethode zugrundegelegt, bei v/elcher die Phaseninformationen der beiden Eingangskänäle über mehrere Paare von Verzögerungselementen geführt werden, um den Messbereich auf über2,1Tausdehnen zu können (s. Fig. 3 dieses' Artikels). Erst nach diesen Verzögerungselementen wird die Phasendifferenz in ein impulsbreitemodulier—tss Signal umgewandelt. Sind die Verzögerungspaare nicht genau aufeinander abgestimmt, so v.'irkt sich dies direkt als Messfehler aus. Ausserdem ist das Ausgangssignal des dem Vor-RüCrCv;ärts-Zähler nachgeschalteten Digital-Analog-Umsetzers impulsbreitemoduliert. Die zeitliche Mittelwertbildung für die Analog-Anzeige geschieht durch ein Tiefpassfilter. Je nach Wiederholfrequenz der Eingangssignale des Phasenmeters wird eine Kondensatorbatterie umgeschaltet. Die Verzögerung der Phasenmessung wird durch dieses Filter erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Phasenmessverfahren zulschaffen, das sich gegenüber dem Stand der Technik durch eine, auch bei Erfassung von Vielfachen vonälf besonders kleine Messverzögerung auszeichnet und in den phasenempfindlichen Kanälen keine Zeitglieder aufweist, die zu Messfehlern führen könnten.

Das Phasenmessverfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekenn·? zeichnet, dass mittels eines Integrations- und Haltekreises eine Impulsdauer-Impulshöhen-Umsetzung und vorübergehende Speicherung des resultierenden amplitudenmodulierten Signals im Speicherteil

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ORIGINAL INSPECTED

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dieses Kreises erfolgt und jedenfalls dann, wenn die Dauer, der impulsbreitemodulierten Signale eine gewisse, einer Mindest-PhasenverschiebuiiG entsprechende kritische Mindestzeit überschrei tet, welche Mindestzeit nach Mηssgäbe der zuverlässigen Erfassung von ( &T\ )-Durchschreitungen, willkürlich festgelegt wird und irr, Gr.enzfall auch gegen Null gehen kann, folgende Verfahr ens sch ritte eingeleitet werden:

a) verzögerte Uebernahme und Speicherung der am Ausgang des Integrationskreises entstehenden, _εΐΓΤφ1^μα.βηιτ!θαυ1ίθ^εη Signale durch einen Abtast- und Haltekreis.

b) vor jeder Uebernahme Amplitudenvergleich zwischen dem neuen Messwert am Ausgang des Integrationskreises und dem alten Messwert am Ausgang des Abtastkreises Mittels eines Sprmnungssprungdetektors mit Sprnnungsschweile, mit welcher der Absolutwert der Amplitudendifferenz verglichen wird, wobei ein Ueberschreiten dieser Schwelle als Kriterium für die Feststellung eines einer (3.Ti )-Durchschreitung entsprechenden Spannungssprunges dient,

c) bei Feststellung eines einer (£iT )-Durchschreitung entsprechenden Amplitudensprunges durch den Sprungdetektor Abgabe von Signalen an entsprechenden Ausgängen des Sprungdetektors je nach Vorzeichen der Amplitudendifferenz, welche Signale einem von zwei Eingängen des Vor-Rückwärts-Zählers zugeführt und dort vorzeichenrichtig gezählt werden.

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Bei diesem Verfahren wird also einerseits ein direkter Zugriff zu dem jeweils gemessenen, am Ausgang des Abtast- und Haltekreises liegenden Divisionsrest der gesamten, über Mehrfache vonαΐϊΓ gehenden Phasenverschiebung, geteilt durchift , ermöglicht, welcher Restwert in Gestalt einer phasenproportionalen Spannung vorliegt; andererseits ist aber auch die aJgebraische Summe der ganzzahligen ( c*/"" )-Durchschreitungen im Vor-Rückwärts-Zähler gespeichert und kann in digitaler Form unmittelbar ausgewertet werden. Schliesslich wird durch Detektion der erwähnten Mindestzeit dafür gesorgt, dass keine Information über einen Spannungssprung bei sehr kleinem Phasenhub nahe einer (λ Ιΐ" )-Durchschreitung verlorengehen oder verfälscht werden kann (wie später noch ausführlicher erörtert wi rd). ■

Die Erfindung sei jetzt anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 3 Spannungsdiagramme zur Veranschaulichung der Ge- winnung von impulsbreitemodulierten Rechtecksignalen aus den phasenverschobenen Signelen,

Fig. 2 das Prinzipschema einer dazu dienenden Schaltung,

Fig. 4 ein AusfUhrungsbeispiel einer möglichen Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung (Blockschema),

Fi £. ^ci ein Irrpu] sdiarrorrrn zur Er]'-iuterunp; dor Funktionsweise di ο Ausf ührungßbei spi eis gemäsn Fin. ^;l.

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Fig. 6 die Divisionsrest-Messcharakteristik (Ausgangs-Spannung 1/ E gegen Phasenverschiebung) der im Ausführungsbeispiel angegebenen Anordnung gemäss Fig.. 4.

Fig. 7 das Prinzipschema einer möglichen Schaltungsanordnung zur Realisierung desjenigen Teiles des Impulsbreitediskriminators 10 in Fig. 4, der die kritische Mindestphasenverschiebung &f _MIN bestimmt.

Fig. 8 eine mögliche Schaltung für das Amplituden-Steuerungselement 13»

Fig. 9 das Prinzipschema einer möglichen Realisation des Spannungssprungdetektors ,

Fig. 10 die Kennlinie des Spannungssprungdetektors gemäss Fig. 9·

Im Zeitdiagramm der Fig. 1 stellen Αχ und B₁ die beiden phasenverschobenen Signale dar,A^p ist die Phasendifferenz> Ag und B2 sind die durch Verstärkung und Begrenzung (s.Fig.2) daraus hervorgegangenen Rechtecksignale. Der Abstand zwischen homologen Flanken (z.B. den Vorderflanken) entspricht der Phasendifferenz -ΔΨ (At* -fcj— )· Durch eine Logik LG mit bistabilen Elementen (s.Fig.2) wird dieser Abstand in üblicher Weise in ein impulsbreitemoduliertes (PWM) Rechtecksignal G bzw. CC entsprechender Dauer umgesetz (der Unterschied zwischen C und CC wird anschliessend erläutert).

In Flg. 1 sieht man die normale Entstehung der impulsbreitemoduxierten Signale C. Fig. J5 zeigt in der ersten Zeile die Impulsfolge C

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(Abstand der Vorderflanken jeweils eine Signal periöde T) und in der zweiten Zeile die Impulsfolge CC. Diese wird durch jeden zweiten Impuls C gebildetjSo dass der Abstand zweier Vorderflanken von CC gleich 2T ist. Die Logik LG (Fig. 2) ist so eingerichtet, dass sie an einem ihrer beiden Ausgänge das impulsbreite,modulierte Signal CC liefert, daneben wird jedoch am zweiten Ausgang ein Rechteckimpuls W erzeugt. Dieser wird durch jede Nullstelle von Abweiche den Impulsbeginn von C, jedoch nicht von CC, auslösen

^ soll, nach einer Verzögerung dt gestartet, jede Nullstelle von B]__; welche d?s Impulsende von C und CC auslösen soll,bedeutet Impulsende für W, auch Kenn der Abstand homologer Flanken von A2 und B2 zu kurz wird, um überhaupt Signale C und CC entstehen zu lassen. Bei sehr kleiner Phasenverschiebung A up kann es vorkommen, dass sowohl Impuls C als auch CC ausbleiben, obschon die entsprechenden Nullstellen von Αχ, Bi auftreten (das Ausbleiben wird durch die endlichen Schaltzeiten der Logik LG bedingt). Diese Situation ist in Fig. 3, 1. und 2. Zeile, vorletzter Periode, gezeigt.

P Der Impuls W soll such in diesem Fill wie definiert auftreten.

Die konstante Verzögerung dt gewährleistet, dass das Tastverhältnis von W nicht zu gross wird. Falls keine Nullstei:e von 3χ den be gönne n^lrr. puls CC innerhalb einer Periode T von Ai beendet, so sorgt der nächste Impulsbeginn von C (Fig. J>) in der Logik LG defür, dass die Impulsbreite von CC T nicht übersteigt.

oo Die Fig. 4 zeigt nun schematisch ein mögliches Ausführungsbei- ^ spiel einer Schaltungsanordnung für die Durchführung des Phasen-

to messverfahrens gemäss der Erfindung. Das Signal CC gelangt auf den Eingang des Integrations- und Haltekreises I₁ an dessen Ausgang D 'as amplitudenmodulierte Signal Vd erseheint und nach der Inte-

gration für· eine gewisse Zeltdauer ansteht (s. Fig. 5, zweite Zeile). Eine Zeitfolgesteuerung J5 (Fig. 4) (die z.B. aus einer Reihe monostnbilerSchaltkreise bestehen kenn, von denen jeder mit der Rückflanke seines Signals den nächsten startet),steuert die zeitlich nacheinander ablaufenden Vorgänge. Das Signal Mg ist ein Abtastbefehl> esvird dem Abtast- und Haltekreis 2 zugeführt und steuert (s."-PiK- S) die Uebernahme des am Ausgang D von 1 anstehenden Signals Vp durch den Abtast- und Haltekreis 2. Vor dem Abtastbefehl gibt die Zeitfolgesteuerung 3 einen Vergleichsbefehl M, an den Spannungssprungdetektor 4; dies bewirkt den Vergleich des in 2 gespeicherten und an seinem Ausgang E anstehenden, βμε 1 übernommenen "alten" V.'ertes des phasenverschiebungsproportiO-nalen, amplitudenmodulierten Signals Ve mit dem "neuen" Wert Vjy am Ausgang D von 1 im Sprungdetektor 4. Je nach Ergebnis des Vergleichs im Sprungdetektor 4 (kein Spanriungssprung, Spannungssprung in der einen oder der anderen Richtung) erscheinen an den Ausgängen F bzvr. G ve η 4 eritv:eder logisch "O"-Signale an' F und G oder aber ein logisches "!"-Signal an F oder G (je noch Vorzeichen); letztere Signale werden dem Vor-Rückv:ärts-Zähler 7 zugeführt und dort vorzeichenrichtig summiert (Vor- bzw. Rückwärts-Zahleingang). 7 speichert also jeweils die algebraische Sun.ir.e der ganzzah 11 fen (2"TT)-Durchschrcitungen; der Rest der Division "gesamter Phasenhub geteilt durch 2 μ " ist gleichzeitig in Analogform am Ausgang E von 2 verfügbar. Nach einer "Wartezeit" (M,) sorgt das SignalM4 (Rückstellbefehl) für dr.s Zurückstellen des Integrationskreises 1 auf die Sppnnu-nf- "Null", vomit 1 v:iedc-r für die Ver;-rbeitun?5 des nächsten, ihm zugeführten Signals CC zur Verfügung steht.; Die Wcrte-

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zeit MJ ist für den korrekten Ablauf notwendig. Der Impuls muss jedoch nicht eigens erzeugt werden,falls M4 mit der nötigen Verzögerung auf Mg folgt.

Allerdings ist die Zuführung des Abtastbefehls M2 und des Ver- . gleichsbefehls M₁ im allgemeinen nur bedingt (s. die UND-Schaltkreise 5 und 6 in Pig. 4)j sie wird durch die Einheit 10 gesteuert und kann, wie oben schon bemerkt, denn entfallen, wenn

^w die von der Phasendifferenz Δίρ abhängige Impulsbreite von CC unter einem willkürlich festgelegten, kritischen Mindestwert bleibt. Darüber wird im weiteren noch genauer zu sprechen s<iin.

Die Befehlssignalfolge Μχ bis M^ wird durch die Rückflenke des Signals W in der Zeitfolgesteuerung 3 ausgelöst. Dieses Signal W, über dessen Erzeugung weiter oben berichtet wurde, ist in Fig. 5 nicht eingezeichnet.

. Angenommen sei zunächst, dass ß<^ bzw. die Impulsbreite von CC "überkritisch" sind, d.h. ein Oeffnen der UND-Tore 5 und 6 (Fig.4) durch ein 1-Signal am Ausgang Q von 10 ermöglicht wird. Fig. 6 zeigt die Messcharakteristik des aus den Einheiten 1, 2 und 5 gebildeten Systems. Wird der Bereich von 3-"ίΓ überschritten, so erfolgt ein Spannungssprung an den Ausgängen D und E (es seien vorläufig nur die ausgezogenen Teile der Charakteristik von Fig. 6 in Betracht gezogen). Fijp;. 6 ist auf Fi£. 1 abgestimmt. In Fig. 1 könnte jedoch das Signal C durch anaere Kombinationen von Λ2 und B2 gewonnen werden. Eine dieser Kombinationen lässt z.B. den

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Nullpunkt der Fig. 6 um TT verschieben. Solange die Sägezahnchrakteristik der Fig. 6 nur entlang der Abszissenachse verschoben wird, bleibt das nachstehend beschriebene Verfahren anwend- ■ bar.

Die zuletzt vorgenommene Messung habe Vg = Vg₁ am Ausgang E entsprechend ^Cp₁ ergeben (Fig. 6). Die Spannung Vg₁ sei durch 2 (Fig. 4) gespeichert. Aendert.sich nun die Phasendifferenz bis zum nächsten Messzyklus auf At^g* ^so tritt am Ausgang D eine Spannung vom Betrag Vd = Ve2 auf. Vergleicht man die Spannungen an den Ausgängen D und E in richtigen Zeitpunkt (M₁, Fig. 5)* so lässt sich der zwischen den zvjei Messzyklen aufgetretene Spannungssprung feststellen. Die Funktionsweise des diesem Zweck dienenden Sprungdetektors wird durch die folgenden Gleichungen definiert:

F = M₁A (VD-V_EP-K _{k =} VdmAX ₌ ^VEMAX G = M₁ &. (V_E - Vd)-^K ² ' ²

Dies bedeutet die Einführung einer kritischen Schwelle für die Spannungsdifferenz Vp - V_E, und zwar wird diese Schwelle K in zweckmässiger Welse gleich der Hälfte der am Ausgang D von 1 bzw. am Ausgang E von 2 bei bestimmter Frequenz der Eingangssignale auftretenden maximalen Spannung entsprechendλΰ =%j\ (sh.Fig.6) gemacht. Ist die Differenz zwischen V_D und Vg - absolut genommen ,-grosser als dieser Schvellv/ert K = = , so wird ein ßpannungssprung festgestellt und gezählt.

10983A/0978 &AD QBi_QiNAL .

Dabei vird, wenn V_D - Vg während des Signals M^ positiv und grosser al s K ist, am Ausgang F von 4 ein Impuls erzeugt, der einen positiv durchlaufenden Spannungssprung anzeigt. Ist die Differenz V^ - Vg dagegen während des Signals M₁ negativ und dem Betrag nach grosser als K, so erscheint am Ausgang G von 4 ein Impuls, der einen negativ durchlaufenden Spannungsspr,;. ~ anzeigt.

Bleibt die Differenz" Vd - Vj? absolut genommen unter dem kritischen Schwellwert K, so erscheinen an den Ausgängen F und G von keine Impulse, es wird kein Spannungssprung detektiert und gezählt.

Es besteht eine Abhängigkeit der Funktionsweise des Detektors von der Phasenänderungsgeschwindigkeit. Die maximal zulässige Aenderung der Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Messintervallen_wden (Bückflanken von CC) ist TT · Tritt eine grossere Aenderung auf, so kann sie im stetigen Bereich der Messchrakteristik als Spannungssprung interpretiert werden (s. Fig.' 6). Andererseits kann auf diese Weise auch ein tatsächlich stattfindender Durchgang durch eine Unstetigkeit der Chrakteristik in Fig. 6 der Detektion entgehen, wenn

V_D - V_EJ< (V_EMAX : 2) wird.

Der Vor-Rückvärts-ZählerZin Fig. 4 akkumuliert die Impulse der Ausgänge F und G. Ein Impuls auf Leitung F bedeutet ein Phaseninkrement von -21Γ , ein Impuls auf Leitung G ein Inkr'ement von ..,>. 109834/0978 _{8W 0R!QSNA},

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+ 2% . Der Zählstand zeigt die Phasendifferenz in Einheiten von 21Γ. Die Anzahl der Zählstufen bestimmt den maximal erfassbaren Phasenhub. Soll der maximale Bereich + n(21? ) betragen, so muss der Zähler in der Lage sein, auf 2n zu zählen.

■Entsprechend- den bisherigen Ausführungen bes teht de r Aus gang der in Pig. 4 dargestellten Phasenmesseinrichtung aus einem Αηεlogsignal Ve bei E und einer Digitalanzeige bei H (Zählerstand von 7). Die Digitalanzeige erfasst die ganzen Vielfachen von 2i? der Phasendifferenz Jitj;, während die Spannung Ve dem Rest der Division j^ip !-!li? entspricht. Die Anzei ge genaui gke it ist durch das "Rest"-Signal bei E bestimmt.FürMesswerte, die ein hohes Vielfaches von^2ii erreichen, ist die auf den Messvertichbezogene Genauigkeit sehr hoch« Der maximale Messbereich fürAc^ ist im vesentlichen nur durch die maximal zulässige Phasenänderungsgeschwindigkeit und die Dimensionierung des Zählers 7 begrenzt.

Fig. 4 zeigt (gestrichelt) noch eine v:eitere Möglichkeit für aie Darstellung des Aus gangs Signa I_-S. Der Zählstand H v.'ird durch einnen Digital-Analog-Umsetzer 8 in einen proportionalen Strom-umgewandelt , der in einen Punkt L fliesst« L ist zugleich Eingang eines Operationsverstärkers 9 mit Gegenkopplung R₂· Dadurch v:ird L zur "virtuellen Hasse". R₁ ist- so gev;ählt, dass bei ■■ Maximal Spannung V_EM^_x sm Ausgang E der Strom durch R₁ gleich dem Strom ist, den eine Zähleinheit des Vor-Rückv.'ärts-Zählers 7 durch den Digital-Analog-Umsetzer (8) erzeugt.

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Der gestrichelt gezeichnete Ausgabeteil der Fig. k ermöglicht eine Zusammenfassung der Signale E und H in einem reinen Analogsignal P. Bei Benutzung des Ausgangs P hängt jedoch die erreichbare Genauigkeit vom maximal zu verarbeitendenAvP .ab, Ist/VCp _max ein hohes Vielfaches vonSlii , so werden Messungeniii'.tA'f'^^ⁱf_max weniger genau als mit der zuerst beschriebenen Hybrid-Methode (Analogausgang bei E, Digitalausgang bei H).

^ Die Anordnung nach Fig. 4 kann auch dazu verwendet werden, nur das Vielfache von 2 17 der Phasendifferenz zu bestimmen. Vv'eil der Ausgang E dann nicht mehr den Zv-eck hat, den Rest der Division A<p ttÜL'lT möglichst genau wiederzugeben, können die Anforderungen an den Integrationskreis 1 und den Abtast- und Haltekreis 2 reduziert werden. Der Divisionsrest/lip ;jt'JT-kr.nn z.B. separat durch digitale Zeitintervallmessungen erfasst werden (Zählung von schnellen Taktimpulsen während der Dauer der tmpulsbreitemodulierten Signale CC). Damit lasst sich eine rein digitale Anzeige der Phasendifferenz bis zu η · 2/'verwirklichen.

Bei der nach Fig. 1 gewählten Art der Erzeugung von CC kann die Impulsoreite bis zu einer Periode T der Eingangssignale betragen. Damit die Befehlssignal-Folge M₁»Mg, (eventuell) Mj und M4 auch dann noch zwischen zwei Messungen abgegeben werden kann, wird einfachheitshalber nur jede zweite Periode der Eingangssignale dem Messteil zugeführt. Dies wird erreicht,indem nur bei jedem zweiten Zyklus der Eingangssignale die Eingänge CC bzw. W der Anordnung Fig. H wie oben geschildert angesteuert werden.

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Es wäre aber möglich, die Anordnung nach Fig. 4 weiter auszubauen, so dass während jeder Periode der Eingangssignale eine vollständige Messung vorgenommen würde. Man könnte wechselweise zwei verschiedene Integrations- und Haltekreise mit dem Signal C speisen und deren Ausgänge durch einen Abtast- und Haltekreis mit zwei wechselweise aktivierten Eingängen zusammenfassen. Hierbei würde naturgemäss auch eine Modifikation des Spannungssprungdetektors 4 erforderlich werden. Durch diesen Ausbau könnte man erreichen, dass die Messwiederholungsfrecuenz verdoppelt würde und damit maximal zulässige Phasenänderungen vom Betrag Ti* doppelt so häufig auftreten dürften, (s.o.)

Bei der bisherigen Beschreibung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung gercäss Fig. 4 wurde angenommen, dass nip bzw. die zu A(ß proportionale- Impulsbreite von CC "überkritisch" sind, d.h. dass&(j> grosser ist a]s eine willkürlich festgelegte Mindest-

und die Impulsbreite von CC grosser

ist al5 die zugehörige Mindest-Zeitdauer

U)

Zur Einführung eines solchen kritischen Mindestwertes sei bemerkt, dass es bei Phasendifferenzen, die um eine Sprungstelle gemäss Fig. 6 mit sehr kleinem Phasenhub auftreten können, infolge von FrequenzSchwankungen an den Eingängen zu Unsicherheiten

^ bei der Erfassung von Vielfachen von Ä/i kommen kann.

oo to»

^J Um diese Unsicherheit auszuschliesnen, wird die besagte Mindestgrös

-JöeA(j>_MT_W der Phasenverschiebung im Sinne eines Sicherheitsabstandes so festgelegt, dass bei Ueberschreiten dieser Grosse auf jeden

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Fall wohldefinierte Amplitudenwerte entstehen, die eine eindeutige Sprungdetektion ermöglichen. Die Einführung dieser Massnahme bewirkt in der Messcharakteristik (s. Fig. 6) eine "künstliche Hystere^se" (s. gestrichelte Kurventeile). Bleibt Αφ kleiner als •k^MINi^S0 bedeutet dies die Gefahr von Fehlern bei der Zählung der (21Ϊ )-Durchschreitungen im Falle der Beibehaltung der bisher ' beschriebenen Abtast- und Vergleichsnethode. Daher findet bei "unterkritischen" Vierten von£ipbzv. der Impulsdauer von CC keine P. Uebernahrre von 1 nach 2 und kein Vergleich der Ausgangssignale I und 2 mehr statt; es werden also, wie später noch beschrieben '•.'ird, in diesem Fall die UND-Tore 5 und 6 durch den Ausgang Q, von 10 (Fig. 4) gesperrt. Es erfolgt demnach bei einer unterkritischen Dauer von CC auch keine Abgabe von Zählimpulsen an den Vor-Rückvärts-Zähler 7. Statt dessen wird dem Speicherteil von über einen nur zu diesem (im allgemeinen als Haltekapazität ausgebildeten) Speicherteil führenden zweiten Eingang von 2 durch die Einheit 13 (Fig. 4) eines von zwei möglichen Gleichspannungsniveaus in der Weise aulgezwungen, dass bei der Erfassung der Sprungstellen im Zählerjkein F-hler entstehen kinn und auch bei der Bestimmung des Restes der Division "Gesamter Phasenhub geteilt durch 21TWr ein unbedeutender Fehler auftreten kann (der maximal gleich der dem Abszissenwert&ü) mhj zugeordnete Ordinate der sägezahnförmigen Vg-Kurve in Fig. 6 sein kann).

Die beiden dem kapazitiven Speicherteil von 2 bei einer unterkritischen CC-Impulsdsuer aufzuzwingenden Gleichspannungen werden nach—folgenden Gesichtspunkten gewählt:

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Bei sehr kleiner Impulsbreite von CC wird Vv& O. War der letzte ■Mes-svert Ve>-K (K^ ), so wird bei V_D«-0auch (V_E - V_D)> K* Diese Situation wird durch einen zusätzlichen Ausgang U des Sprungdetektors 4 angezeigt, der dabei ein Signal entsprechend logisch 1 liefert. Dadurch wird dem Speicherteil in 2 mittels der Einheit I^ ein fester Spannungsvert aufgezwungen, der, wie im Weiteren gezeigt wird, dem Maximalwert von Vd bzw. Ve gleich ist (^VEMAX)· War der letzte Messwert Ve-<K, so liefert der zusätzliche. Ausgang U des Sppnnungsdetektors 4 ein Signal .entsprechendlogisch 0. Jn diesem Fall wird dem Speicherteil von 2 eine derc Minimalwert von V_D bzw. Vg entsprechende Spannung (also ungefähr Null spannung), aufgezwungen. ■

Die Elemente 10 bis 15 in Fig. Λ verwirklichen diese Funktion wie folgt:

Das 'Element 10 besteht vorzugsweise aus einem monostabilen Multivibrator, der durch CC nur getriggert werden kann, falls die Impulsbreite von CC grosser ist als ein durch die Schaltung irv vorgegebener Minimalwert(entsprechend A^f min in Fig. 6). Ist diese Mindestbreite erreicht, so folgt der Ausgang von 10 unmittelbar auf die Rückflanke von CC. Die konstante Impulsbreite der Ausgänge von 10 ist grosser als M₁ ■'+ M₂* jedoch kleiner als die Signalperiode T. Das Element10 könnteauch durch ein Flip-Flop realisiert werden, das nur gesetzt würde, falls CC überkritisch breit väre. Dieses Flip-Flop würde z.B. nach -Mg durch , ein Signal der Zeitfolgesteuerung 5 (z.B. das Wartesignal M,)· zurückgestellt werden.

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/Mo

Eine mögliche Realisation desjenigen Teiles von 10, bestimmt, ist in Pig. 7 gezeigt. Der Impuls CC muss solange dauern (positiv sein), dass die Kapazität C* sich über R genügend aufladen kann, so dass die Rückflanke von CC über die Diode Dj die nachfolgende Schaltung l6 (die z.B. Teil eines bistabilen oder monostabilen Multivibrators sein kann) umzuschalten vermag. Nur so kann der Ausgang Q. von 10 logisch 1 v:erden, vas dann für die Dauer des Vergleichs- und des Uebernahmevorganges (M^ + M2) Oeffnen der UND-Tore 5 und 6 (Fig. 4) ermöglicht.

Erreicht CC den kritischen Mindestwert nicht {hf-<z.b\ZMIN)* ^so v;ird am Komplementär-Ausgang Q. von 10 (Fig. 4) das Dauersignal "logisch 1" abgegeben.

Das Setz-Rückstell-Flip-Flop 12 (Fig. 4) gehorcht den folgenden logischen Bedingungen:

b 1. Setzen, falls 10 "Q und M₀ und U

• ei %

b 2. Zurückstellen, fells IO Q

ψ Es sei daran erinnert, dass U (zusätzlicher Ausgang von 4) logisch 1 ist, falls der zuletzt (vor dem unterkritisch Werden von CC) gemessene Ve-Wert grosser war als K = —^₃— und logisch Null ist, falls dieser Wert kleiner war als K.

co Für die Realisation der Bedingungen bl. und b2. sind je nach der 00

^ Charakteristik der gewählten E^tr.onte verschiedene Lösungen mögo lieh. In Fig. 4 wurde eine Version mit einem Flip-Flop 1? darge-

^ stellt, dessen Eingänge auf logisch Null reagieren. In diesemFall muss Π begreiflicherweise eine NAND-Schaltung sein (also keine UND-Gchal tunp;), und das Zurückstellen von, 12 geschieht mit dem

ORIGINAL

Ausgang § von 10 (der ja logisch Null wird, falls 10 Q, logisch 1 ist,und somit durch direkte Zuführung auf den Rückstelleingang des- auf NullsignalereagierendenFlip-Flops 12 dieses Flip-Flop zurückstellt, so dass die obigen Bedingungen b 1 und b 2 erfüllt sind). , _ ■

Ein zweites, 12 vollkommen gleichgeartetes Flip-Flop 15 gehorcht den Bedingungen:

b 3, Setzen, falls IQ *§ und Mp und TT : ö . b 4, Zurückstellen, falls 10 Q

Beim Eingang von U zu der im übrigen der NAND-Schaltung 11 "vollkoirimen naehgebildeten NAND-Schaltung 14 erfolgt also eine logische Inversion (ü-j-G),

Die Flip-Flops 12 und 15 können demnach entweder beide zurückgestellt sein, oder aber es ist Jeweils- nur eines gesetzt, das andere zurückgestellt (je nachdem, ob U logisch 1 oder Null ist). Die Äusgangssignale x,y v/erden am Q-Ausgang von 15 bzv;. am Q-Ausgang von 12 abgenommen. Es können also für x,y die folgenden logischen Signa] kombinationen auftreten:

x = 0, y - 1 (12 und 15 beide zurückgestellt) x = i, y 9 1 (15 gesetzt, 12 zurückgestellt) X = o, jr - 0 (12 gesetzt, 15: zurückgestellfe)

Die Auegfinge χ und y steuern das Element Γ3, das ein Amplitudensteuerungselement für den Speicherteil des Abtast- und HaI- tekreises 2 ist. Element 13 hängt von der Charakteristik von 2

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ab. Nimmt man an, dass bei 2 im normalen Analog-Haltezustand die . Ausgangsspannung Vjp^K infolge von unerwünschten Entladeströmen langsam kleiner wird, so sorgt der Ausgang von 13 dafür, dass nach erfolgtem Setzen des F]ip-Plops 12 die Haltekapazität im Speicherteil von 2 dauernd auf den Maximalv/ert aufgeladen bleibt (entsprechend der Spannung,Vemax)· Wird 12 nicht gesetzt, dafür aber 15, so bewirkt 13, dass die Haltekapazität auf ein Ladungsminirr.um gebracht (entsprechend etwa der Spännung Null) und in diesem Zustand gehalten wird.

Die Fig. 8 zeigt eine mögliche Ausführung des Amplitudensteuerungs elementes 13, das die beiden Spannungs-Sollv.erte entsprechend V_E = V_EMAX bzw, Ve^O liefern soll.

Die Transistoren T₁ und T₂, deren Basen die beiden von 15 bzv;. 12 kommenden Signale χ bzv. y zugeführt v/erden, arbeiten im Schalter- * betrieb, d.h. T₁ wird geschlossen (strorr.durchlässig), wenn χ logisch 1 wird,und Tg wird geschlossen, ivenn y logisch 1 wird, Die Zenerspannung VzdI der Zenerdiode Dj soll so gross sein wie ^vEMAXi wobei Vgpi nicht kleiner, allenfallsjetwas grosser sein darf aTs Vgf/j^x· ^Die Speisespannung V_B soll die Zenerspannung um mehr sis IV überschreiten; V_B"^=V_ZDl + IV.

Der.Ausgang J des Elementes 13 wird dann gemäss folgender Tabelle durch logische Kombinationen der Signale χ und y festgelegt:

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X'	y	Tl	T2	Ausgang	J	■
O	1	aus	ein	frei im	Bereich	O bis VemAX
1	1	ein	ein		.90	O V
O	O	aus	aus			+ VEMAX

Es ist also zu beachten, dass gerade bei der Kombination χ = 0, y = 1, bei v>^Teleher Kombination (s.o.) insbesondere der normale Betrieb bei überkritischem CC mit Uebernahme und Vergleich statt findet, der Ausgang J von 13, der direkt zur Haltekapazität von (Fig. ¹I) führt, in den Grenzen O bis V_EMAX "freibleibend" ist, d.h. also der von 2 aus 1 übernoir.ir.ene Amplitudenvert Ve "möglichst wenig durch das nicht aktivierte Ausgangssignal von 13 beeinflusst wird.: · .-. .;.;■-' . _.'. ' ■ ■ -

Die Punktion der Elemente IO bis 15 kann v;ie folgt zusammengefasst werden:

Falls die Impulsbreite von CC einen Minimalvrert entsprechend Δ Cf MIN■■ unterschreitet, bleiben die Ausgänge von 10 in ihrer Ruhelage. Trotzdem wird 3 gestartet, jedoch v;erden in diesem Falle Ml und M₂ nicht an 4 respektive 2 '.veitergeleitet. Der letzte Messwert bleibt also in 2 gespeichert, und 7 eihalt keine Zählimpulse. Falls während M₂ das Signal U logisch 1 ist, v.'ird,das Flip-Flop 12 gesetzt. Dies bedeutet, dass der letzte normal

verarbeitete Messvert grosser gewesen ist als der Schwellv/ert V_T

■ΕΜΛΧ-

. Ueber ljvird in diesem Fall der Ausgang E von 2

auf dem Spannungsmaximalwert gehalten, bis v.-leder eine überkritische Impulsbreite von CC auftri tt. Wird CC unterkriti sch

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nach einem Messwert, der kleiner war als K, so wird U logisch Null, 12 wird nicht gesetzt, dafür aber 15· Ueber IJ wird der Ausgang von 2 auf dem Spannungsminimalwert gehalten, bis wieder ein überkritisches CC auftritt.

Zuletzt sei unter Hinweis auf die Fig. 9. und 10 noch eine mögliche Ausführung des Spannungssprungdetektors h besprochen. In Fig. 9 sind die Elemente 18 und 19 Spannungskomparatoren., wobei "Plus" den nicht invertierenden und "iylinus" den invertierenden Eingang, kennzeichnen. Der Eingangswiderstand dieser Eingänge wird - verglichen mit R/\ und Rg - eis hoch angenommen. Die Elemente 20 und 21 sind Konctanstromverbraucher. Der konstante Strom I bestimmt die Schwelle. Der kritische Wert von Vrj - Vp wird erreicht, wenn der Strom durch R_ß das Vorzeichen wechselt. Daraus ergibt sich der .Schwellwert K = Vj) - Vd^R^ ·!. Die Schwelleinste] lung erfolgt am gemeinsamen Eingang .· ·. „ : S der Elemente 20 und 21. Falls die Schwelle überschritten wird, erscheinen - je nach Vorzeichen der Spannungsdifferenz Vj)-Vg- an den Ausgängen F* bzw. G* logische 1-Signale. Die Signale F und G sollen (s.o.) nur bei Zuführung des Vergleichsbefehls M, abgegeben werden; dies wird.durch die UND-Tore 22 und 23 in der dargestellten V/eise bewirkt. Dagegen soll das Signal U (das It. obigen Ausführungen für die Steuerung der NAND-Tore 11 und 14 in Fig. ^}i während der Zeitintervalle mit unterkritischer Impulsbreite der Impulse CC erforderlich ist) unabhängig von Μχ zur Verfugung stehen und wird direkt vom Ausgang G* des Kornparators 19 abgenommen. Es sei dr<ran erinnert, dass U logisch 1 werden soll, falls Ve und logisch 0, falls Vp - Vp<K; diese Bedingung ist am Aus-

sang 0· gegeben. 109834/0978

BAO OFHölNAL

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Fig. 10 zeigt die Kennlinie des Spannungssprungdetektors nach Fig. 9. Wird die Spannungsdifferenz Vj) - Vg, falls sie positiv ist, grosser als K₁ so erscheint am Ausgang F* ein logisches 1-Signal, und -wird diese Differenz, falls sie negativ'ist, kleiner als -K, so erscheint ein logisches 1-Signal am Ausgang G*. Falls JV_D - VeJ<k| ist, sind "beide*-Ausgänge"'F* undG* auf logisch 0. Das vorgeschlagene Messverfahren ist vielfältig anwendbar; insbesondere sei hier auf den potentialunabhängigen (optischen) Stromwandler verwiesen, der den Gegenstand eines anderen Patent- i Vorschlages derselben Anmelderin bildet. Bei diesem Stromwandler sollen die Stromnulldurchgänge möglichst zeitgetrev wiedergegeben werden. Das verwendete Messprinzip wandelt die Strommessung in eine Phasenmessung bei hoher Trägerfrequenz um. Die Anwendung eines Phasenmessverfahrens, bei welchem das Ausgangssignal· den auftretenden Phäsendifferenzänderungen mit mögliehst geringer Verzögerung folgen kann, ist also von besonderem Vorteil.

109834/0973 bad original

Claims (10)

1. Pa tentansprüch_e

   ,!"Verfahren zur eindeutigen Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen zwei periodischen, in ihrer Frequenz gleichen oder nahezu gleichen Signalen mit Erfassung und algebraischer Surr.mierung -der Durchschreitungen ganzzahliger Vielfacher von 21Γ , bei welchem Verfahren die Eingangssignale durch Verstärkung und Begrenzung in Rechteckspannungen umgewandelt werden und der zeitliche Abstand homologer Flanken dieser Rechteckspannungen durch Erzeugung impulsbreitemodulierter Reohtecksignale als Mess für die jeweilige Phasenverschiebung dient, wobei die bei (21Γ )-Durchschreitungen der Phasenverschiebungen auftretenden Unstetigkeiten in der Dauer dieser Rechtecksignale die Erzeugung chrakteristischer, auch die Richtung der jeweiligen (2if )-Durchschreitungen definierender Signale bewirken, die in einem Vor-Rückvärts-Zähler algebraisch summiert und gespeichert v/erden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Integrations- und Haltekreises (l) eine Impulsdauer-Impulshöhen-Umsetzung und vorübergehende Speicherung des resultierenden amplitudenmodulierten Signals im Speicherteil dieses Kreises (l) erfolgt und jedenfalls dann, Kenn die Dauer der impulsbreitemodulierten Signale eine gewisse, einer Wiuestphasenverschiebung (Acp min) entsprechende kritische Mindestzeit überschreitet, welche Mindestzeit nach Massgabe der zuverlässigen Erfassung von (2ΊΤ)-Durchschreitungen willkürlich festgelegt wird und im Grenzfall auch gegen Null gehen kann, folgende Verfahrens-

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   -23 - 14/70

   sehritte eingeleitet werden:

   a) verzögerte Uebemahme und Speicherung des am Ausgang (D) des Integrationskreises (1) entsprechenden, amplitudenmodulierten Signals (V₀-) durch einen Abtast- und Haltekreis (2),

   ta) vor jeder Uebemahme Amplitudenvergleich zwischen demneuen Messwert (V_D) am Ausgang (D) des Integrationskreises (1) und dem alten Messwert (V„) am Ausgang (E) des Abtastkreises (2) mittels eines Spannungssprungdetektors (¹I) mit Spannüngsschwel-Ie (K), mit welcher der Absolutwert der Amplitudendifferenz .(ν.. - Vg) verglichen wird, wobei ein Ueberschreiten dieser Schwelle (K) als Kriterium für die Festlegung eines einer (2 )-Durchschreitung entsprechenden Spannungssprunges liegt,

   c) bei Peststellung eines einer (2TT)-Durchschreitung entsprechenden Amplitudensprunges durch den Sprungdetektor (¹I) Abgabe von Signalen (F,G) an entsprechenden Ausgängen des Sprungdetektors (4) je nach Vorzeichen der Amplitudendifferenz (V_n-V-), welche Signale einem von zwei Eingängen des Vor-Rückwärts-Zählers (7) zugeführt und dort vorzeichenrichtig gezählt werden. - ■ ■ ■■■..■■■■ ; ^: ■■ ; '■-. ■■■-■■..."
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Spannungssprungdetektor^ {M) vorgesehene Schwelle (K) gleich der Hälfte der maximal am Ausgang (D) des Integrationskreises Cl)"-..

   10 9 8 3 kl 0 97 8 ^;\"OftiaiMAi

   - 24 - 14/70

   bzw. am Ausgang (e) des Abtast- und Haltekreises (2) bei bestimmter Frequenz der Eingangssignale (A,,B-) auftretenden Spannungs-

   ... . , VdmAX VeHAX , ..... . ,

   amplituden (—= = —= ) gewählt wird.·
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei die Dauer der impulsbreitemodulierten Signale (CC) "unterkritisch" ist, d.h. unterhalb der willkürlich festlegbaren, einer Mindestphasenverschiebung

   % (Δ i-p _Mj_N) entsprechenden endlichen Mindest dauer bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass keine Uebernahme durch den Abtastkreis (2) und kein Spannungsvergleich im Sprungdetektor (4) stattfinden und statt dessen Schaltmittel (10 bis 15) betätigt werden, die für eine zeitlich unbegrenzte Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung im Speicherteil des Abtast- und Haltekreises (2) sorgen, welche Spannung durch die besagten Schaltmittel (10 bis 15) in Abhängigkeit von der zuletzt vorgenommenen Phasenverschiebungsmessung so gewählt wird, dass sie, falls der letzte im Speicherteil

   f des Abtastkreises (2) gespeicherte Spannungswert (V_£) grosser ist, als die im Sprungdetektor (4) vorgesehene Spannungsschwelle

   ^EMAX
   (K = —τ; ), gleich dem möglichen Maximalwert des amplituden-

   . modulierten Signals (^V _EMAX) ist, während im Falle, dass der besagte letzte Spannungswert (V₁,) die Spannungsschwelle (K) im Sprungdetektor nicht erreicht, die dem Speicherteil des Abtastkreises (2) aufgezwungene Spannung dem Minimum des amplitudenmodulierten Signals (Vvmju^O) entspricht.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch die
5. Verwendung eines Impulsbreitediskriminators (10), der eingangssei-, - 10 9 8 3 4/0978
6. tig die impulsbreitemodulierten'Hechtecksignale (CC) erhält und bei Uebersehreiten der kritischen Mindestdauer dieser Signale entsprechend .der vorgegebenen Mindest-Phasenverschiebung (Äf _Μτ(ί) für eine bestimmte Zeitspanne in einen aktivierenden Zustand übergeht, bei dem an einem seiner Ausgänge (Q) ein Signal abgegeben wird, das über UND-Tore (5*6) die Auswertung des impulsbreitemodulierten Signals (CC) im Sinne des Spannungsvergleichs und der Uebernahme vom Integrationskreis (l) in den Abtastkreis (2) freigibt,welche Zeitspanne grosser ist als die für diese Vorgänge benötigte Zeit, aber mit Sicherheit kleiner ist als das Zeitintervall bis zum Erscheinen des nächsten, auszuwertenden impulsbreitemodulierten Signale (CC) des Integrationskreises (1) und des Diskriminators (10), während bei einem Nichterreichen der kritischen Mindestbreite der impulsbreitemodulierten Signale (CC) der Diskriminator (10) in der Ruhestellung verbleibt und dabei mit dem gegenüber dem aktivierten Zustand logisch invertierten Signal an dem besagten ersten Ausgang (Q) überdie UND-Tore (5*6) eine Sperrung des Vergleichs- und des UebernahmeVorganges für das betreffende impulsmodulierte Signal (CC) bwirkt, während der Diskriminator (10) an seinem zweiten, komplementären Ausgang (Q)ein Signal liefert, das die Betätigung der zusätzlichen Schaltmittel (11 bis 15) ermöglicht, die für die zeitlich unbegrenzte Aufrechte rhaltung der konstanten, in Abhängigkeit von der zuletzt vorgenommenen Phasenverschiebungsmessung dem einen oder dem anderen Extremwert (Vg^xjO) des amplitudenmodulierten Signals (Vg) entsprechenden. Spannung im Speicherteil des Abtast- und Haltekreiees (2) sorgen.
7. 109834/0978 Aktiengesellschaft
8. Brown, Boveri & CIe.
9. , 2^ζ ■ ·
10. Leerseire