DE2031707A1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektn sehen Frequenzmessung - Google Patents

Description

• "Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Frequenzmessung11 Zweck der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens, das auf einfache Weise eine schnelle Messung derRrequenz elektrischer Vorgänge gestattet, wobei Frequenzänderungen schnell und genau erfaßt werden können. Durch Verwendung an sich bekannter Meßwandler können auch nichtelektrische Vorgänge, z.B. mechanische Drehzahlen oder akustische Schwingungen der Messung zugänglich gemacht werden.
• Die Erfindung gibt ferner an, mit welchen baulichen Mitteln solche Frequenzmessungen durclifUhrbar sind; sie umfaßt demgemäß ebenso wie im Schutzbegehren --- auch Vorrichtungen, mit denen das Verfahren zur Messung der Frequenz durchgeführt werden kann.
• Eine laufende, genaue Frequenzmessung bei Vorgängen mit schnell veränderlicher Frequenz ist deshalb wichtig, damit notwendige manuelle oder automatische Maßnahmen, die wegen der veränderten Frequenz eines Signals notwendig werden, entsprechend schnell erfolgen können.
• Unter Frequenzmesser sollen im Folgenden solche Apparate verstanden werden, die ein analoges (Strom, Spannung) oder digitales elektrisches Signal geben, dessen Höhe oder Wert proportional ist zu der Frequenz des Meßsignals --- also des Signals, dessen Frequenz bestimmt werden soll Ein bekanntes einfaches Verfahren zur Frequenzmessung benützt einen Kondensator, dem mit jeder Periode des in seiner Frequenz zu reisenden Signals jeweils konstante Ladungsbeträge zugeführt werden, und einen parallel zu dem Kondensator geschaltaten Ohmschen Widerstand, der eine statige Entladung des Kondensators bewirkt.
• Die Spannung am Kondensator erhöht sich dabei solange, bis die pro Zeiteinheit zufließende Ladung gleich der pro Zeiteinheit abfließenden Ladung ist.
• Sobald die Zeitkonstante C x R der Kondensator-Widerstands-Parallelschaltung sehr viel größer ist als die Periodendauer des in seiner Frequenz zu messenden Signals --- des Meßsignals hat die Spannung am Kondensator eine geringe Welligkeit, und ihr Mittelwert ist proportional der Frequenz des Meßsignals0 Diese Zeitkonstante (C x R) ist aber auch bei Änderungen der Frequenz des Meßsignals wirksam und verhindert, daß die Spannung am Kondensator schnellen Frequenzänderungen getreu folgen kann0 Dies sei im Folgenden kurz an einem praktischen Beispiel erläutert.
• Soll die relative Welligkeit der Spannung am Kondensator z.B.
• 1 fo nicht überschreiten, so muß die Zeitkonstante C x R das 100-fache der größten Periodendauer des Meßsignals betragen9 also z.B. 1 Sekuk?de bei einer Frequenz des Meßsignals von 100 Hz.
• Ändert sich nun die Frequenz des Meßsignals in einer Zeit, die klein im Vergleich zur Zeitkonstante C x R ist, also z.B.
• sprunghaft von 100 auf 200 Hz, so benötigt die Spannung am Kondensator infolge der großen Zeitkonstante C x R =.1 sec ca. 4.6 sec9 bis sie 99 % ihres neuen, der Frequenz von 200 Hz entsprechenden Endwerts erreicht hat. In dieser Zeit sind somit mehrere hundert Perioden des Meßsignals verstrichen, während derer sich die Frequenz schon wieder verändert haben kann9 und es liegt auf der Hand, daß dieses einfache Verfahren für eine exakte meßtechnische Erfassung von Signalen mit schnell veränderlicher Frequenz nicht gut brauchbar ist.
• Bekannte Verfahren zur schnellen meßtechnischen Erfassung von Frequenzen basieren auf einer Messung der Periodendauer des Meßsignals und können mit Hilfe analoger oder digitaler Vorrichtungen durchgeführt werden.
• Eine digitaler oder analoger Wandler liefert am Ende jeder Periode Diese Meßsignals einen digitalen bzw0 analogen Meßwert, der der Dauer dieser Periode entspricht bzw. proportional ist0 Dieser Werd wird für die Dauer der jeweils nächsten Periode des Meßsignals gespeichert. Eine plötzliche Frequenzänderung des Meßsignals wird also spätestens nach Ablauf der folgenden Periode @ weist. Dieses Verfahren arbeitet also wesentlich schneller al das für beschriebens und erreicht sogar die theoretisch maximale Meßgeschwindigkeit : eine Änderung der Frequenz des Meßsignals kann je frühestens nach Ablauf einer Periode aus der veränderten Periodendauer bestimmt werden.
• Nun ist aber in vielen Fällen die Ablesung oder Weiterverarbeitung der Periodendauer-Meßwerte ungünstig, unpraktisch oder unmöglich.
• Die Frequenz f errechnet sind bekanntlich aus der Periodendauer T zu : f = 1/T . Somit muß zur Erzeugung eines frequenzproportionalen Meßwerts ein Festwert ( 1 ) durch den jeweils gespeicherten Periodendauer-Meßwert ( T ) dividiert werden, was wiederum durch digitale oder analoge elektrische Verfahren geschehen kann. Im Übrigen kann auch die Aufeinanderfolge von Speicherung und Division vertauscht werden.
• wiaLdas beschriebene Verfahren nun mit Hilfe analog arbeitender Vorrichtungen bzw. Schaltungen durchgeführt, so ergeben sich Fehler, sowohl bei der Umwandlung der Periodendauer in einen Analogwert ( z.B. Spannung ), als auch bei der fortlaufend durch zuführenden Ds.rision des Festwertes durch den-Periodendauer-Meßwert. Diese Fehler können nur durch einen beträchtlichen Schaltungsaufwand gering gehalten werden. Wird das Verfahren mit Hilfe digitaler Vorrichtungen durchgeführt, so ergeben sich zwar keine wesentlichen Probleme hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit, doch ist hier der Aufwand grundsätzlich sehr groß.
• Die schnelle Frequenzmessung durch Auswertung der Periodendauer des Meßsignals kann apparativ wesentlich vereinfacht werden, wenn erfindungsgemäß ein im Folgenden zu beschreibendes Verf2ciren angewendet wird, das ohne vorherige Messung der Periodendauer direkt einen Analogwert, nämlich einen Strom liefert, dessen Höhe am Ende jeder Periode umgekehrt proportional der Periodendauer und somit sogleich proportional der momentanen Frequenz des Meß signals ist. Dieser Analogwert wird am Ende jeder Periode jeweils für die Dauer der nächsten Periode gespeichert. Da der gespeicherte Wert nun schon frequenzproportional ist, muß binde aufwendige Division mehr durchgeführt werden, wie dies beim früher beschriebenen Verfahren der Fall war.
• Die beifolgenden zeichnerischen Darstellungen dienen in ihrer schematischen Form der weiteren Klarstellung der Erfindung.
• Die Fig. 1a und ib zeigen die zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens notwendige Schaltungsvorrichtung in den zwei Arbeitszuständen : a) Schalter 3 geschlossen, und b) Schalter 3 geöffnet.
• ig. 2 zeigt beispielhaft eine Gesamtanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 9 bestehend aus der Schaltungsvorrichtung nach Fig0 1a9 ib sowie aus Hilfsgeräten.
• n Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der elektrischen Signals n einer Anordnung nach Fig. 2 dargestellt.
• Die zeigt 4a und 4b zeigen Varianten der Vorrichtung nach Fig.
• 1a, 1b, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gut geeignet sind.
• ol Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf des Meßsignals Uf und der ausgangsspannung U um des Frequenzmessers für den Fall dargestellt, daß eine später noch zu beschreibende Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet wird, die bewirkt, daß die abnehmende Frequenz des Meßsignals Uf schneller eine entsprechende Änderung des Ausgangssignals Ua zur Folge hat.
• Wie Fig. 6 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus einer Gesamt anordnung zur Durchführung einer Variante des erfindungsgemäßen erfahrens, die einen Meßwert liefert9 der proportional dem Logarithmus der Frequenz des Meßsignals ist0 In Fig. 7 ist dargestellt, wie durch eine Erweiterung der An drung gemäß Fig. 6 der Einfluß der Umgebungstemperatur Rom ensiert werden kann.
• Beginn jeder eine des Meßsignals wird gemäß Fig0 1a die rallelschaltung eines Kondensators 1 und eines nichtlinearen @@widerstandes 2 mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik - z.B. eine Halbleiterdiode - über einen mechanischen :e*. elektronischen Schalter 3 kurzzeitig an eine Spannungs der Stromquelle 4 gelegt. Am Ende der Schließzeit des Schalter stellt sich eine bestimmte Spannung am Kondensator und ein bestimmter Strm I0 durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 ln.
• nach Öffnung des Schalters 3 wird entsprechend Fig. 1b der Kondensator 1 über den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 ent On9 und der durch beide Elemente 1 D 2 fließende Strom intt vom Anfangswert I0 schnell ab und erreicht nach einer Zeit I1 die seit der Öffnung des Schalters 3 verstrichen ist, einen Wert I1 , der sich aus der Differentialgleichung der Parallelschaltung des nichtlinearen Wirkwiderstands 2 , der eine exponentielle Strom-Spannungscharakteristik gemäß der noch folgenden Gl. 2 besitzt, und des Kondensators 1 , ergibt zu : wobei : C = Kapazität des Kondensators 1 10 = Anfangswert des Stromes durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 zum Zeitpunkt der Öffnung des Schalters 3 A = Konstante, die von der exponentiellen Strom-Spannungscharakteristik des nichtlinearen Wirkwiderstands 2 abhängig ist.
• T1 = abgelaufene Zeit seit der Öffnung des Schalters 3 I1 = = Strom durch den nichtlznearen Wirkwiderstand 2 und den Kondensator 1 zur Zeit T1 nach Öffnung des Schalters 3 Auf die Konstante A wird weiter unten noch näher eingegangen.
• Für den leicht zu realisierenden Fall, daß die Schließdauer des Schalters 3 genügend kurz gegenüber der Periodendauer des Meßsignals ist, kann die Zeit T1 als Periodendauer angesehen werden; der Strom I1 am Ende der Periode der Dauer T1 ist dann näherungsweise umgekehrt proportional der Periodendauer T1 und somit direkt proportional der momentanen Frequenz des Meßsignals. Die Abweichung von der Proportionalität ist durch das Glied A . C/21 10 in der Gl. 1 gegeben und kann dadurch klein gehalten werden, daß einerseits der Anfangswert 10 des Stromes, der durch die Quelle 4 bestimmt wird, genügend groß gewählt wird und daß andererseits die Kapazität C des Kondensators 1 so klein gewählt wird, daß bei der höchsten vorkommenden Frequenz bzw.
• bei der kleinsten vorkommenden Periodendauer T1 des Meßsignals die Abweichung von der Proportionalität zwischen dem Strom I und der Frequenz f1 = 1/T1 für den jeweiligen Anwendungsfall klein genug bleibt. In der Praxis läßt sich ein Proportionalitätsfehler ( Linearitätsfehler ) der kleiner ist als 9 %, leicht erreichen.
• Da nun der frequenzproportionale Meßwert Ii nur am Ende der jeweiligen Periode des Meßsignals verfügbar ist, muß zur Herstellung eines kontinuierlichen Meßwertes eine Speicherung des Stromwertes Ii ( z.B. in Form einer dazu proportionalen Spannung ) am Ende jeder Periode jeweils für die Dauer der nächstfolgenden Periode erfolgen. Am Ende dieser Periode wird der gespeicherte Wert dann durch einen neuen Wert ersetzt bzw.
• korrigiert, der aus der Dauer dieser Periode resultiert usw.
• Die Notwendigkeit der Speicherung der Meßwerte ist kein Nachteil des beschriebenen Verfahrens gegenüber anderen, denn auch bei üblichen Verfahren der Frequenzmessung durch Periodendauer-Auswertung muß entweder der Periodendauer-Meßwert oder der automatisch errechnete frequenzproportionale Wert gespeichert werden Die Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Vorrichtung in der Form einer Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren praktisch durchgeführt werden kann. Der nichtlineare Wirkwiderstand a mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik ist nur mit einem ersten Anschluß 2a mit dem ersten Anschluß 1a des Kondensators 1 verbunden. Der zweite Anschluß 1b des Kondensators 1 liegt weiterhin an der gemeinsamen Masseleitung 10 der Schaltung.
• Der zweite Anschluß 2b des nichtlinearen Wirkwiderstands 2 ist mit dem Eingang 5a eines linearen Strom-Spannungs-Wandlers 5 verbunden. Die Masseleitung 5b des Strom Spannungs-Wandlers ist mit der Masseleitung 10 der Schaltung verbunden Der Strom-Spannungs-Wandler besitzt zwischen seinem Eingang 5a und seine Masseleitung 5b einen sehr geringen Eingangswiderstand und stellt so einen sehr niederohmigen Strommeßpfad für den Strom I durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 dar, so daß dessen zweiter Anschluß 2b praktisch an der Masseleitung 10 der Schaltung liegt und somit also mit dem zweiten Anschluß 1b des Londensators 1 verbunden ist, so wie es in der prinzipiellen Anordnung ( Fig. 1a, b ) dargestellt ist; dadurch is auch bei dieser Anordnung die Gl. 1 für den Strom I1 gAltigo Der Strom-Spanaungs-Wandler 5 gibt an seinem Ausgang Sc eine Spannung U2 ab, die dem Strom I in seinen Eingang 5a proportional ist, und die zu Zeitpunkten, die im Folgenden noch naher bestimmt werden, über eisen zweiten mechanischen oder elektronischen Schalter 6 einer Speicherschaltung 7 zuges führt wird. Die Speicherschaltung 7 gibt dauernd eine Ausgangsspannung Ua ab, die der Ausgangsspannung U2 des Strom-Spannungs-Wandlers 5 ; die zur Schließzeit des zweiten Schalters 6 besteht, gleich oder proportional ist. Somit ist die Ausgangsspannung Ua der Speicherschaltung 7 dem Strom I durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 , der zur Schließzeit des zweiten Schalters 6 fließt, proportional.
• Eine erste monostabile Kippschaltung 9 wird von dem Meßsignal Uf angesteuert und erzeugt jeweils bei einem bestimmten Zustand desselben ( z.B. Nulldurchgang einer Sinusschwingung ) einen ersten Impuls der Dauer # 1. Dieser Impuls wird über eine Leitung 11 dem zweiten Schalter 6 zugeführt, wobei dieser für die Dauer #1 des ersten Impulses schließt. Dabei entsteht in der eben beschriebenen Weise eine Ausgangsspannung Ua der Speicherschaltung 7 , die dem momentanen Strom I durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 proportional ist und die nach Ablauf der Dauer 1 des ersten Impulses weiterbesteht.
• Die Abfallflanke des ersten Impulses der Dauer R steuert nun eine zweite monostabile Kippstufe 8 an, die einen zweiten Impuls der Dauer #2 liefert, der dem ersten mechanischen oder elektronischen Schalter 3 zugeführt wird und ein Schließen desselben für die Dauer #2 bewirkt. Während der Dauer #2 wird nun der Kondensator 1 über den geschlossenen Schalter 3 von der Strom- bzw. Spannungsquelle 4 aufgeladen, so daß am Ende der Dauer#2 des zweiten Impulses der Strom I durch den nicht linearen Wirkwiderstand 2 den Wert 10 annimmt. Nach Ablauf der Dauer #2 des zweiten Impulses öffnet der Schalter 3 wieder, und der Strom I durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 sinkt schnell ab und erreicht nach einer Zeit T1 den Wert Ii nach Gl. 1.
• Wach Ablauf der Periodendauer T1 des Meßsignals Uf erzeugt nun wie der die erste monostabile Kippstufe 9 einen Impuls der Dauer #1, wodurch in der schon beschriebenen Art die Ausgangs spannung Ua der Speicherschaltung 7 einen Wert annimmt, der den Strom I1 zur Zeit T1 proportional ist, usw.
• Den qualitativen Verlauf der Spannungen und Ströme in sei Anordnung nach Fig 2 zeigt die Fig. 3, wobei als Meßsigna Uf beispielhaft eine Rechteckschwingung ve .b vct Periodendauer gewählt wurde. Im Bereich a Art des Meßsignals stetig ab bzw. die Periodendauer statiq zu, während im Bereich b die Frequenz wieder zunimmt und die Periodendauer daher abnimmt; t ist die laufende Zeit0 In der zweiten Zeile der Fig. 3 sind die Schließzeiten des Schalters 6 ( vgl Fig0 2 ) über der Zeit t aufgetragen; positive Impulse bedeuten dabei einen geschlossenen Schalter 6 während die Nullinie ( t-Achse ) einem geöffneten Schalter 6 entspricht. In gleicher Weise sind in der 3. Zeile der Fig0 3 impulse dargestellt die die Schließzeiten # 2 des Schalters 3 vgl. Fig. 2) angeben.
• In der vierten Zeile der Fig. 3 ist qualitativ der zeitliche Verlauf des Stromes I durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 bzw. die daraus resultierende Ausgangsspannung U2 des Strom-Spannungs-Wandlers 5 (vgl. Fig. 2) dargestellt.
• Schließlich ist in der letzten Zeile der Fig0 3 der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung Ua des Frequenzmessers dargestellt, aer sich aus der Abtastung der Spannung U2 während der Zeiten und ihrer Speicherung in der Speicherschaltung 7 (vgl. Fig, 2) ergibt.
• Durch die vertikal verlaufenden gestrichelten Linien in Fige 3 ist am Beginn der Periode T1,4 des Meßsignals beispielhaft für alle anderen Perioden die zeitliche Folge der Vorgänge in der anordnung nach Fig. 2 angegeben : zu Beginn der Periode T1,4 es Meßsignals Uf erfolgt das Schließen des Schalters 6 für is Dauer #1 (2. zeile, Fig. 3). Dabei wird über den Schalter 6 die momentane Ausgangsspannung U2 des Strom-Spannungs-Wandlers 5 der Speicherschaltung 7 vermittelt, wobei sich am Ausgang der Speicherschaltung die neue Spannung Ua93 einstellt ( letzte Zeile, Fig0 3 )o Nach Ablauf der Zeit 1 schließt der Schalter zur die Zeit #2 ( Zeile 3 9 Fig, 3 3), wodurch die Spannung am Kondensator 1 einem Endwert zustrebt9 der gleich der Spannung er Quelle 4 ist9 und wobei sich ein maximaler Strom 1o 1. Zeile, Fig0 3 ) durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 instellt. Nach Ablauf der Zeit #2 erfolgt schließlich die Entladung des Kondensators 1 über den nichtlinearen Wirkwider-and 2, wobei der Strom I durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 und durch den Kondensator 1 bzw. die Ausgangsspannung @stromspannungs-Wandlers 5 in der beschriebenen Art @ Zeit t absinkt (4. Zeile, Fig. 3) und jeweils nach @ der Zeit T1 den Wert I1 nach Gl. 1 bzw. einen entsprechenden U2 erreicht Der Meßwert, d.h. das Ausgangssignal des Frequenzmessers liegt nun also in Form einer Treppenspannung Ua ( letzte Zeile, Fig.3) vor, deren jeweilige Stufenhöhe proportional ist der momentanen Frequenz, also der reziproken Periodendauer der jeweils vorhergehenden Periode des Meßsignals Uf. Gleiche zweite Indizes ( z.B. T1,1 ; I1 ; U2,1 ; Ua,1 ) bezeichnen einander entsprechende Werte der Periodendauer T1 des Meßsignals Uf, des Stromes Ii bzw. der Spannung U2l, nach Ablauf der Periode T1 und-der frequenzproportionalen Spannung Ua Erfindungsgemäß kann das beschriebene Verfahren der Frequenzmessung unter Beibehaltung der Grundanordnung nach Fig. 1 auch unter Benutzung anderer Hilfsgeräte durchgeführt werden, wenn deren Zusammenwirken der Funktion der zuletzt beschriebenen beispielhaften Anordnung gleich oder gleichartig ist, wenn sie das Folgende bewirken: 1) eine Messung des Stromes Ii durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 , bzw. desselben Stromes Ii durch den Kondensator 1, jeweils zum Ende einer jeden Periode des Meßsignals, sowie eine Speicherung dieses Stromwertes in geeigneter Form --- z.B. als dazu proportionale Spannung --- jeweils für die Dauer der folgenden Periode des Meßsignals. Dabei ist darauf zu achten, daß durch Einfügen der Strommessanordnung in die Grundanordnung nach Fig.
• 1a, ib der Strom 11 gegenüber dem durch die Gl. 1 gegebenen Wert nicht mehr verändert wird, als für den jeweiligen Anwendungsfall zulässig ist.
• Eine hierfür-geeignete und an sich bekannte Anordnung ist z.B.
• ein Operationsverstärker mit einem Widerstand zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang; im Vergleich mit dem Strom-Spannungs-Wandler 5 in Fig. 2 ergeben sich dann folgende, einander entsprechende ( = ) Anschlüsse : Ausgang = 5c, invertierender Eingang = 5a , nichtinvertierender Eingang = 5b.
• 2) Eine zeitlich an die Strommessung und Speicherung anschließende Aufladung des Kondensators 1 3) Wach Ablauf der Aufladung des Kondensatoræ 1 eine Entladung desselben über einen .chtlinearen Wirkwiderstand 2 mit exponen tieller Strom-Spannungs-Charakteristik bis zum Ende der jeweiligen Periode des Meßsignals.
• Es wurde bereits erwähnt, daß als nichtlinearer Wirkwiderstand 2 mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik eine Halbleiterdiode verwendet werden kann; insbesondere Siliziumdioden sind hierbei gut geeignet. Eine solche Diode hat im sog. Durchlassbereich eine Strom-Spannungs-Charakteristik nach folgender Gleichung: I = Strom durch die Diode U = Spannung an der Diode = = sog. Sperrsättigungsstrom der Diode =. Elektronenladung (1,6 x 10-19 As) k = Boltzmann-Konstante ( 1,36 x 10 -23 Ws/°K ) = absolute Temperatur (°/K) Bei Verwendung einer Siliziumdiode mit der angegebenen Strom-Spannungs-Charakteristik nach Gl. 2 erhält die früher in Gl 1 verwendete Konstante A den Wert: A=k#t/q0 Es ist darauf zu achten, daß der sog. Ohmsche Bahnwiderstand der Diode genügend gering ist, so daß auch beim größten Strom I = 10 der unmittelbar nach der Aufladung des Kondensators 1 durch die Diode fließt, die Gl. 2 noch gut erfüllt ist.
• Erfindungsgemäß ist als nichtlinearer Wirkwiderstand 2 mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik besonders gut ein pnp-oder ein npn-Transistor --- insbesondere ein epitaktischer Siliziumtransistor --.- geeignet, dessen Kollektoranschluß mit dem Basisanschluß verbunden ist und einem ersten Anschluß eines nichtlinearen Wirkwiderstandes entspricht, und dessen Emitteranschluß dem zweiten Anschluß eines nichtlinearen Wirkwiderstandes entspricht. Ein solcher nichtlinearer Wirkwiderstand zeigt über einen sehr großen Bereich des Stromes eine exponentielle Strom°Spannungs-Charakteristik nach Gl. 2.
• Ein pnp- oder npn-Transistor kann jedoch auch als 3-poliges Element ½ die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt Eine erste Möglichkeit ist in Fig. 4a dargstellt. Der 12a des Transistors 12 ist mit einem ersten Anschluß 1a bzw Kondensators 1 , ein Basisanschluß 12b mit dem zweiten Anschluß 1b des Kondensators 1 bzw. mit der Masseleitung 10 der Grundanordnung verbunden. Da der Kollektorstrom eines Transistors annähernd gleich seinem Emitterstrom ist, fließt der Strom I nur zu einem unbedeutenden Teil über den Basisanschluß 12b ab; der größte Teil fließt vom Kollektoranschluß 12c zum Eingang 5a des Strom-Spannungs-Wandlers 5 , so daß dessen Ausgangsspannung U2 wieder dem Strom I proportional ist. Da der Kollektorstrom eines Transistors durch die Spannung zwischen Basis und Kollektor praktisch nicht beeinflußt wird und nur durch den Emitterstrom bestimmt wird, kann die Masselaitung 5b des Strom Spannungs-Wandlers 5 auf einem anderen Potential liegen als die Masseleitung 10 der Grundanordnung. Dies ist in Fig. 4a durch die Spannungsquelle 13 angedeutet und kann bei verschiedenen Anwene dungen von Vorteil sein.
• Ergänzend sei gesagt, daß der Emitterstrom I des Transistors 12 eine exponentielle Abhängigkeit von der Spannung U zwischen Emitter 12a und Basis 12b nach Gl. 2 hat.
• Eine besonders einfache Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man, wenn man die Eingangsstrecke des Strom-Spannungs-Wandlers 5 in Fig. 4a durch einen Ohmschen Widerstand 14 ersetzt, wie dies in Fig. 4b dargestellt ist. Am Widerstand 14 fällt eine Spannung ab, die dem Kollektor strom des Transistors 12 und somit seinem Emitterstrom, also dem Strom I proportional ist. Dadurch arbeitet der Transistor 12 1. Fig. 4b gleichzeitig als nichtlinearer Wirkwiderstand und als Strom-Spannungswandler.
• Bei der obigen allgemeinen Beschreibung der Erfindung wurde bereits dargelegt, daß es zum Erreichen einer möglichst genauen Proporm tionalität zwischen dem Strom 11 und der reziproken Periodendauer T1 (Gl. 1) notwendig ist, den Strom Io, der zum Zeitpunkt der Offnung des Schalters 3 (vg. Pig. 1a, 1b, Fig. 2) fließt, möglichst groß gegenüber dem Strom I1 zu wählen, der nach der kürzesten vorkommenden Periodendauer T1 des Meßsignals fließt.
• Fttr diesen Fall wird der Strom 11 nach der Zeit T1 praktisch unabhängig vom Anfangswert I0.
• Andererseits soll aus naheliegenden Gründen aber der Strom-Spannungswandler 5 bei dem maximalen Strom -1, der n@@ d@ ge@ @te@ Periodendauer T1 des Meßsignals fließt, eine Ausgangsspannung Ua abgeben, die in der Größen@@ @rorgungsspannung (Batteriespannung, z.B. 12 V) liegt. Bei dem riel größeren Strom Ic würde aber dann die Ausgangsspannung Ua des Strom-Spannungs-Wandlers 5 begrenzt sein0 Normale lineare Strom-Spannungs-Wandler (die zOBO durch einen Operationsverstärker mit Gegenkopplungswiderstand realisiert werden) zeigen aber bei Begrenzung der Ausgangsspannung ein starkes Ansteigen des Eingangswiderstands; da dieser in Reihe zum nichtlinearen Wirkwiderstand 2 (vgl. Fig. 2) liegt wurde die ordnungsgemäße Punktion der Grundanordnung (Fig. 1) nach Gl. 1 gestört werden.
• Durch an sich bekannte nichtlineare Schaltungsmaßnahmen (zOBO Ze nerdiode parallel zum Gegenkopplungswiderstand bei Verwendung eines Operationsverstärkers) kann der Strom-Spannungs-Wandler 5 so ausgebildet werden9 daß bei Strömen I in seinen Eingang 5a die größer sind als der Strom I1, der bei der geringsten Periodendauer des Meßsignals auftritt, die Ausgangsspannung Ua konstant bleibt oder schwächer als proportional zum Strom I ansteigt, ohne aß sich der Eingangswiderstand des Strom Spannungs-Wandlers erhöht.
• J n solcher Strom-Spannungs-Wandler arbeitet also im interessieren fen Bereich von Ii linear mit einer maximalen Ausgangsspannung, Die in der Größenordnung der Versorgungsspannung der Schaltungsmordnung liegt und nimmt trotzdem ohne Erhöhung seines Eingangs widerstandes den Strom 10 auf , der sehr viel größer ist als der Maximale Strom I1 nach der minimalen Periodendauer T1, so daß die erdnungsgemäße Funktion der Grundanordnung (Fig. 1) nach Gl. 1 @ gestört wird.
• Ein einfaches Ausführungsbeispiel für die erwähnten nichtlinearen Fehaltungsmaßnahmen ist in der bereits beschriebenen Anordnung nach Fig. 4b gezeigte Parallel zum Widerstand 14 liegt eine zenerdiode 15 s die bei Spannungen am Widerstand 14, die kleiner als die Zenerspannung sind, nichtleitend und somit wirkungslos at. In diesem Bereich ist der Spannungsabfall am Widerstand 14 proportional dem Emitterstrom I 1 des Transistors 12 0 Erreicht der Spannungsabfall am Widerstand 14 die Höhe der Zenerspannung, @ wird die Zenerdiode 15 leitend und übernimmt einen solchen @eil des Kollektorstroms des Transistors 12 , daß die Spannung @@ Widerstand 14 nur noch geringfügig ansteigt. Dadurch kann die Spannung zwischen Kollektor 120 und Basis 12b der Transistors 12 niemals einen positiven Wert annehmen, was die ordnungsgemäße Funktion der Anordnung gemäß Fig. 4 nach Gl. 1 verbundern würde.
• Wie schon erwähnt, hat für eine Halbleßterdiode oder einen Transistor die Konstante A in Gl. 1 den Wert: A = k Da A der Proportionalitätsfaktor zwischen dem.Strom 11 und der reziproken Periodendauer T1 ist und sich mit der Temperatur der Halbleiterdiode oder des Transistors ändert, müssen, wenn die Temperatur nicht konstant gehalten werden kann, geeignete Maßnahmen zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Faktors A getroffen werden.
• Ein erstes Verfahren zur Temperaturkompensation besteht darin, für den Kondensator 1 einen solchen Typ zu wählen, dessen Kapazität C prozentual mit der Temperatur abnimmt, so wie der Faktor A prozentual mit der Temperatur abnimmt, so daß C ' A temperatur un abhängig wird.
• Sodann kann in bekannter Weise durch temperaturabhängige Widerstände (z.B. sogen. Heißleiterwiderstände) dem Konversionsfaktor U2/I des Strom-Spannungs-Wandlers 5 (vgl. Fig. 2) ein Temperaturgang vermittelt werden, der dem Temperaturgang des Faktors A entgegengesetzt ist und diesen kompensiert, so daß die Spannung U2 temperatur un abhängig wird. So kann z.B. als Widerstand 14 in Fig.
• 4a eine Kombination eines normalen Festwiderstandes und eines Heißleiters verwendet werden, deren prozentuale Änderung mit der Temperatur der prozentualen Änderung des Faktors A mit der Temperatur entgegengesetzt ist. Auch dem Spannungsübertragungsfaktor Ua/U2 der Speicherschaltung 7 (Fig. 2) kann durch ähnliche geeignete- und an sich bekannte Maßnahmen ein Temperaturgang vermittelt werden, der den Temperaturgang des Faktors A kompensiert.
• In gleicher Weise kann bei anderen nichtlinearen Wirkwiderständen, die eine exponentielle Strom-Spannungs-Charakteristik besitzen, welche temperaturabhängig ist, eine Temperaturkompensation durchgerührt werden.
• Erfindungsgemäß kann das beschriebene und an Ausfuhrungsbeispielen erläuterte Verfahren mit allen Schaltungsanordnungen durchgeführt werden, deren Wirkung gleich oder gleichartig der Wirkung der Anordnung nach Fig. 1a, 1b ist. So kann z.B. die Parallelschaltung eines Kondensators 1 und eines nichtlinearen Wirkwiderstandes 2 mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik ersetzt werde.
• durch die entsprechende '?duale' Schaltung, nämlich die Reihenschal tung einer Induktivität und eines nichtlinearen Wirkwi ders tande s mit logarithmischer Strom-Spannungs-Charakteristik. Unter einer dualen Schaltung ist dabei im üblichen elektrotechnischen Sinn eine solche Schaltung zu verstehen, die nach Vertauschung von Strom und Spannung sich durch di-eselben mathematischen Ausdrücke beschreiben läßt wie die ursprüngliche Schaltung und daher nach Vertauschen von Strom und Spannung auch dieselbe Wirkung hat wie die ursprüngliche Schaltung. Dies entspricht letztlich einer Drehung der Strom Spannungs-Charakteristik der Schaltung um 900 bzw0 270°. Solche Anordnungen lassen sich aber immer mit Hilfe von sog. nichtreziproken Bauelementen (Rotator, Negativ-Impedanz-Konverter, Gyrator) auf die Grundanordnung (Fig. 1) zurückführen, so daß weitere ähnliche Anordnungen hier nicht mehr erwähnt zu werden brauchen.
• Wenn die Frequenz des Meßsignals abnimmt, so kann diese Abnahme nicht erst nach Ablauf der jeweiligen Periode des Meßsignals erkannt werden, sondern schon nach einer Zeit T1 vom Beginn der jeweiligen Periode, die größer ist als die Dauer der vorhergehenden Periode des Meßsignals. Eine Spannung U2, deren Höhe der Dauer der vorhergehenden Periode proportional ist, ist ja in der Speicherschaltung 7 (Fig. 2) gespeichert. Sinkt nun der Strom I soweit ab, daß die momentane Spannung U2 kleiner wird als die gespeicherte Spannung U2 aus der vorhergehenden Periode, so bedeutet das, daß die momentane Periodendauer größer ist als die Dauer der vorhergehenden Periode. Durch geeignete und an sich bekannte Maßnahmen --- z.B. durch Überbrücken des zweiten Schalters 6 (Fig. 2) durch eine Diode 6a --- kann nun sofort und laufend mittels der momentanen Spannung U2 die gespeicherte Spannung U2 und somit auch die Spannung Ua korrigiert werden, wie es der verlängerten Periodendauer und der verringerten Frequenz des Meßsignals entspricht.
• Der entsprechende Verlauf der Ausgangsspannung Ua ist am Beispiel einer Rechteckschwingung Uf mit abnehmender Frequenz in Fig. 5 dargestellt.
• In Fig. 5 gibt t die laufende Zeit an. Die erste Zeile zeigt beispielhaft als Meßsignal Uf eine Rechteckschwingung abnehmender Frequenz bzw. zunehmender Periodendauer T1. In der zweiten Zeile ist der prinzipielle Verlauf der Ausgangsspannung Ua des Frequenz messers gezeigt. Der zeitliche Verlauf der Signale in der Gesamt-Cin'7rdrsUng entspricht im übrigen der Fig. 3. Gleiche zweite Indizes und Ua bezeichnen wieder einander entsprechende Werte der E denda.uer und der Ausgangsepannung0 Periode T1,2 länger ist als die vorhergehende Periode T1,1 unterschreitet in der Periode T1,2 nach Ablauf der Zeit 211 1 die momentane Spannung U2 die gespeicherte Spannung U2 aus der vorhergehenden Periode, wodurch sich nun, trotz noch geöffnetem Schalter 6 (Fig. 2) über die Diode 6a die gespeicherte Spannung Un und damit die Ausgangs spannung Ua der Speicherschaltung 7 gemäß der am Ausgang des Stromspannungs-Wandlers 5 umgekehrt proportional zur laufenden Zeit absinkenden Spannung U2 verändern wird. Bei Schließen des Schalters 6 am Ende der Periode T1 T1,2 erfolgt dann keine Korrektur von Ua mehr, weil sich schon der richtige Wert eingestellt hat. Dasselbe gilt für die nächste Periode T1,3 und für weitere Perioden, deren Dauer jeweils größer ist als die der vorhergehenden Periode.
• Wegen Linearitäts- und Nullpunktfehlern der dem Frequenzmesser nachfolgenden Geräte (Verstärker, Anzeigegeräte, Analog-Digital-Yvandler, Regelgeräte usw.) ist es nicht sinnvoll, einen Frequenz bereich größer als etwa 100:1 bis 1000:1 mit einer linearen Frequenz messung zu überstreichen. Für größere Frequenzbereiche wird dann eine Bereichumschaltung vorzusehen sein. In manchen Fällen wird zu Ubersichtszwecken aber eine Messung ohne Bereichsumschaltung in einem größeren Frequenzbereich (>1000:1) gefordert. Hier bietet sich die Darstellung der Frequenz in einem logarithmischen Maßstab an.
• Erfindungsgemäß kann das beschriebene Verfahren der Frequenzmessung nach einer im Folgenden beschriebenen Abwandlung auch einen Meßwert liefern, der dem Logarithmus der Frequenz des Meßsignals pro portional ist.
• Zu diesem Zweck muß die Messung des Stromes 11 durch den nichtlinearen Widerstand 2 bzw. desselben Stromes 11 durch den Sonden sator 1 (Fig. 1b) lediglich durch eine Messung der Spannung U1 am nichtlinearen Wirkwiderstand 2 bzw. der Spannung U1 am Kondensator 1 ersetzt werden. Für die Spannung U1 zur Zeit T1 nach dem Öffnen des Schalters 3 gilt nämlich Die einzelnen Größen in der Gl. 3 sind dieselben wie in Gle 1o Der Strom Is ist von der Art des nichtlinearen Wirkwiderstandes 2 abhängig, worauf später noch eingegangen wird. Unter der schon früher erwähnten Voraussetzung, daß der Quotient C #A/T vT Io 0 genügend klein ist, was durch schon erläuterte Maßnahmen erreich werden kann, wird der zweite Logarithmustern .) 3 ; bar klein, und die Spannung U1 am Ende einer erinde der Dauer I1 bzw. der momentanen Frequenz f1 = 1/T1 des Meßsignals Die beispielhafte Anordnung nach Fig0 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man aber auch im Sinne der Fig 6 abwandeln. Dann entfällt der Strom-SpannungsWandler 5 , und der zweite Anschluß 2b des nichtlinearen Wirkwiderstandes 2 ist direkt mit der Masseleitung 10 der Anordnung verbunden0 Die Spannung U1 am nichtlinearen Wirkwiderstand 2 bzw. am Kondensator kann nun direkt oder gegebenenfalls nach Verstärkung über den eiten Schalter 6 der Speicherschaltung 7 zugeführt werden0 abei ist darauf zu achten daß der aus der Parallelschaltung des Kondensators 1 und des nichtlinearen Wirkwiderstandes 2 atnommende Strom um einen von der gewünschten Meßgenauigkeit besitmmten Faktor kleiner ist als der Strom I1 ' der bei der größten vorkommenden Periodendauer T1 des Meßsignals durch den kondensator 1 bzw0 durch den nichtlinearen Wirkwiderstand 2 Fießt (vgl. Gl. 1).
• rch an sich bekannte Methoden - z.B. durch Verwendung eines fferenzverstärkers - ist eine solche Festspannung von der Spannung U1 am nichtlinearen Wirkwiderstand 2 zu subtrahieren, so ß bei der größten vorkommenden Periodendauer bzw0 bei der einsten vorkommenden Frequenz des Meßsignals die Ausgangs spannung der Anordnung zu Null wird.
• reitliche Ablauf des Meßvorgangs sowie die schaltungstechnische alisierung des Verfahrens entsprechen im übrigen dem schon be hriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur linearen Frequenz Messung, so daß hier nicht weiter darauf eingegangen werden muß.
• doch sind gegebenenfalls zusätzliche Maßnahmen der Temperatur mpensation notwendig.
• rd in der schon beschriebenen Weise als nichtlinearer Wirkwider-2 2 eine Halbleiterdiode oder ein Transistor mit der Strom annungs-Charakteristik nach Glo 2 verwendete so ist Is in Glo 3 Schon erwähnte sog. Sperrsättigungsstrom (Gl. 2). Dieser @@ ist eine viel stärkere Temperaturabhängigkeit als der Faktor A; guerst eliminiert werden, was beispielhaft durch eine no@ @g nach Fig. 7 geschehen kann.
• Die Spannung U1 an der Diode 2 wird dem nicht-invertierenden Eingang 18a eines Differenzverstärkers 18 zugeführt, der die Spannungsverstärkung V besitzt. Der invertierende Eingang 18b des Differenzverstärkers liegt an einer zweiten Diode 16, die von der gleichen Art wie die erste Diode 2 ist und durch eine Stromquelle 17 mit einem Strom Iv im Durchlassbereich betrieben wird, wodurch sich an ihr eine Spannung Uv gemäß ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik (vgl. Gl. 2) einstellt, Für die Ausgangsspannung U2 des Differenzverstärkers 18 (unter Vernachlässigung des zweiten Logarithmusterms in Gl. 3) gilt dann wobei : A = k (s. Gl. 2) Is1 = Sperrsättigungsstrom der ersten Diode 2 Is2 = Sperrsättigungsstrom der zweiten Diode 16 Der zweite Logarithmusterm in Gl. 4 ergibt einen konstanten Betrag, da die Sperrsättigungsströme der beiden Dioden zwar verschieden sein können, aber sich prozentual gleich mit der Temperatur ändern.
• Im Argument des ersten Logarithmusterms in Gl. 4 steht nun nur noch der Strom 1v w der zunächst temperaturunabhängig ist. Durch geeignete Wahl von 1v kann erreicht werden, daß bei der größten Periodendauer T1 bzw. bei der geringsten Frequenz des Meßsignals der zweite Logarithmusterm in Gl. 4 gerade durch den ersten Logarithmusterm kompensiert wird, und dabei die Spannung U2 zu Null wird. Ein konstanter, in der Spannung U2 enthaltener Spannungsbetrag kann aber auch durch andere geeignete und an sich bekannte Maßnahmen kompensiert --- also von der Spannung U2 subtrahiert werden, z.B. durch Einfügen einer Spannungsquelle in Reihe zum Ausgang 18 c des Differenzverstärkers 18 (Fig. 7).
• wird so gewählt, daß bei der größten vorkommenden Periodendauer T1 der In (C vIyT) gleich dem ln (Is2/Is1) (Gl. 4) wird0 Durch den Strom Iv durch die Diode 16 (Fig. 7) wird eine solche Festspannung an der Diode 16 erzeugt und mit Hilfe des.Differenzverstärkers 18 von der Spannung U1 subtrahiert, daß die Ausgangsspannung Ua bei der kleinsten Periodendauer T1 des Meßsignals zu Null wird.
• Die richtige Wahl von Iv hängt also von den Größen C, A, T1 (minimal), Is1, Is2 ab und kann, da diese Werte bekannt sind, bzw. gemessen werden können, somit errechnet werden; in der Anordnung nach Fig. 7 ist dann die Stromquelle 17 so einzustellen, daß sie den berechneten Strom Iv abgibt.
• Ohne vorherige Rechnung kann der richtige Wert von Iv auch eingestellt werden, indem Iv (d.h. letztenendes die Einstellung der Stromquelle) solange geändert wird, bis die Spannungen U2 bzw.
• U bei der größten Periodendauer bzw. bei der kleinsten Frequenz das Meßsignals zu Null werden - bis also letztlich die Gl. 4 für diese Periodendauer T1 zu Null wird. Die Einstellung der Stromquelle bzw. des Stromes 1v ist bekannter Stand der Technik.
• Die vorstehend beschriebene Maßnahme der Temperaturkompensation kann natürlich in gleicher Weise angewendet werden, wenn als nichtlinearer Wirkwiderstand 2 in der schon beschriebenen Art ein Transistor als zweipoliges Element geschaltet und verwendet wird, Wobei vorzugsweise als zweite Diode 16 (Fig. 7) ein zweiter gleichartiger und gleichartig geschalteter Transistor verwendet wird. Besonders günstig ist hier die Verwendung eines sog. Dualtransistors, bei dem zwei gleiche Transistoren in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, wodurch sich eine gute thermische Kopplung ergibt. Die Verwendung eines Transistors als 3-poliges Element ist hier zwar ebenfalls möglich, jedoch nicht so vorteil haft für die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden, eingangs.
• genannten Ausgabenstellung.
• «.Die oben beschriebene Maßnahme zur Temperaturkompensation kann jedoch auch bei Verwendung anderer nichtlinearer Wirkwiderstände angewendet werden, deren exponentielle Strom-Spannungs-Charakteristik se gleiche oder ähnliche Temperaturabhängigkeit wie die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Halbleiterdiode nach Glo 2 aufweist0 Die verbleibende Temperaturabhängigkeit des Faktors A kann durch einzelne oder mehrere der oben schon beschriebenen Maßnahmen kompensiert werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit einer Kompensation des temperaturabhängigen Faktors A im Argument des ersten Logarithmusterms (Gl. 4), indem die Stromquelle 178 (Fig. 7) in an sich bekannter Weise so ausgebildet wird, daß sich der Strom Iv prozentual in gleicher Weise mit der Temperatur ändert wie der Faktor A.
• Einem Temperaturgang des Konversionsfaktors U2/I des Strom-Spannungs-Wandlers 5 (Fig. 2) entspricht hier ein Temperaturgang des Verstärkungfaktors V des Differenzverstärkers 18 (Fig. 7).
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Frequenzmessung ist es zweckmäßig, in der schon oben bei der linearen Frequenzmessung beschriebenen Art eine sofortige laufende Korrektur der gespeicherten Spannung U1 oder eines entsprechenden gespeicherten Wertes vorzunehmen, sobald die Dauer T1 einer zweiten Periode des Meßsignals größer wird als die Dauer der vorhergehenden Periode des Meßsignals (Fig. 5). Die dazu verwendeten Mittel entsprechen den bereits beschriebenen (z.B. Diode 6a in Fig. 5).
• Für die Übersichtsmessungen in einem logarithmischen Maßstab kann es in manchen Fällen auch nützlich sein, einen Meßwert zu erhalten, der nicht proportional der Frequenz, sondern proportional der Peri odendauer des Meßsignals ist. Dies kann durch eine geringfügige Abwandlung des zuletzt beschriebenen Verfahrens erreicht werden.
• Grszrch eine einfache Umformung der Gl. 4 ergibt sich nämlich, da der Logarithmus bekanntlich eine Division in eine Subtraktion überführt: Der Absolutwert der Spannung U2 ist also proportional dem Logarithmus der Periodendauer T1 des Meßsignals. Der Strom 1v der Stromquelle 17 (Fig. 7) wird hierbei so gewählt, daß bei der kürzesten vorkommenden Periodendauer T1 des Meßsignals die Spannung zu zu Null wird. Der Nachteil, daß jetzt U2 bei zunehmender Periodendauer T1 negativ wird, kann leicht vermieden werden, indem d.o beiden Eingänge 18a, 18b des Differenzverstärkers 18 vertausch werden (Fig. 7).
• Das hier beschriebene Verfahren bedeutet letztlich @r traktion einer zweiten Spannung von der Spannung @el G1. 4, wobei die zweite Spannung so gewählt wird, daß bei der kürzesten vorkommenden Periodendauer T1 des Meßsignals die Spannung U1 gleich dieser zweiten Spannung ist und deren Differenz somit zu Null wird; dies entspricht der Tatsache, daß wie schon erwähnt, der Logarithmus eine Division in eine Subtraktion überführt0 Alle anderen Einzelheiten der Durchftihrung und schaltungstechnischen Realisierung des zuletzt genanntenVerfahrens entsprechen der bisherigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Eine sofortige laufende Korrektur der gespeicherten Spannung U2 bzw. einer entsprechenden Größe, kann ähnlich, wie schon früher beschrieben, in diesem Fall dann durchgeführt werden, wenn die momen,-tane Periodendauer T1 größer wird als die Dauer der vorhergehenden Periode des Meßsignals und wenn demzufolge die momentane Spannung U2, bzw. ein ihr entsprechender Wert, größer wird, als die zum Ende der vorhergehenden Periode des Meßsignals gespeicherte Spannung U2 bzw. der ihr entsprechende Wert. Dies kann durch ähnliche Maßnahmen, wie schon beschrieben, durchgeführt werden. Als Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 eine Diode 6b, parallel zum Schalter 6 gezeigt, die der Diode 6a in Fig. 6 - nur mit vertauschter Polarität - entspricht.
• Zur Vollständigkeit sei hier erwähnt, daß sich das erfindungsgemäße Frequenzmeßverfahren nicht nur zur Anwendung bei periodischen Meßsignalen eignet, sondern sich wegen der großen Meßgeschwindigkeit und wegen des Fehlens üblicher Verfahrensz-eitkonstanten auch sehr gut zur Ermittlung der mittleren Ereignis häufigkeit pro Zeiteinheit bzw0 desmittleren zeitlichen Ereignis abstands (sog. Erwartungswert) bei regellosen Vorgängen eignet, also bei Vorgängen, deren zeitliche Ereignisfolge durch statische Gesetzmäßigkeiten bestimmt ist. Um die statische Streuung des Meßwerts zu verringern, wird gegebenenfalls jedoch zweckmäßig zwischen die Quelle des Meßsignals und den Eingang des Frequenz messers ein an sich bekannter Frequenzteiler (Frequenzuntersetzer) geschaltet.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Messung der Frequenz nichtelektrischer Signale (z.B. Drehzahlen, akustische Schwingungen) verwendet werden, wenn von dem in seiner Frequenz zu messenden Signal durch an sich bekannte Meßwandler, z.B. Lichtschranken induktive Impulsgeber usw. ein elektrisches Meßsignal abgeleitet wird. Gegebenenfalls kann auch eine direkte mechanische Betätigung des ersten mechanischen Schalters 3 und des zweiten mechanischen Schalters 6 (Fig. 2) erfolgen, z.B. durch Nocken auf einer Welle, deren Drehzahl gemessen werden soll.

Claims (20)

Patentansprüche

1. Verfahren zur elektrischen Frequenzmessung durch Auswertung der Periodendauer des in seiner Frequenz zu messenden Signals (Xeßsignal), d a d u r c h g e k e n n z e i zu c h n e t daß bei dem Beginn einer jeden Periode des Meßsignals ein Kondensator über einen geschlossenen ersten mechanisehen oder elektronischen Schalter von einer Spannungs- oder Stromquelle aufgeladen wird, daß sodann der erste mechanische oder elektronische Schalter geöffnet wird und der Kondensator sich über einen ihm parallel-geschalteten nichtlinearen Wirkwidert stand mit exponentieller Strom-Spaunungs-Charakteristik entlädt, und daß zum Ende einer jeden Periode des Meßsignals der durch den nichtlinearen Wirkwiderstand oder den Kondensator fließende Strom mit einer niederohmigen Strommeßanordnung gemessen wird und dieser Meßwert, der proportional der momentanen Frequenz des Meßsignals ist für die Dauer der jeweils nächsten Periode des Meßsignals gespeichert wird0

2. Verfahren nach Anspruch 1 und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Hilfsanordnungen verwendet werden: eine erste monostabile Kippschaltung (9) , die zu Beginn einer Periode des Meßsignals (Uç ) einen ersten Impuls liefert, der während seiner Dauer (51) das Schließen eines zweiten mechanischen oder elektronischen Schalters (6) bewirkt, der die Ausgangsspannung (U2) eines Strom-Spannungs-Wandlers (5) , der eingangsseitig (5a) mit dem durch den nichtlinearen Wirkwiderstand (2) fließenden Strom gespeist wird, einer Speicherschaltung (7) zuführt; eine zweite monostabile Kippschaltung (8) , die nach Ende des ersten Impulses (#1) der ersten monostabilen KippschaltuAg (9) einen zweiten Impuls (%2) ) liefert, der während seiner Dauer das Schließen eines ersten mechanischen oder elektronischen Schalters (3) bewirkt, wobei über den geschlossenen ersten Schalter (3) der Kondensator (1) vor, einer Spannungs- oder Stromquelle (4) aufgeladen wird (Fig. 2).

3. Vorrichtung zur Durchfühuung des Verfahrens nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer Wirkwiderstand mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik eine Halbleiterdiode --- bevorzugt eine Siliziumdiode verwendet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3 zur Durchfühng des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer Wirkwiderstand mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik ein pnp- oder ein npn-Transistor bevorzugt ein epitaktischer Siliziumtransistor -- verwendet ist, dessen Kollektoranschluß mit seinem Basisanschluß verbunden ist und einen ersten Anschluß des nichtlinearen Wirkwiderstandes bildet und dessen Emitteranschluß den zweiten Anschluß des nichtlinearen Wirkwiderstandes bildet.

Vorrichtung nach Anspruch 2 + 3 zur Durchführung des Verfahrens, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer Wirkwiderstand (2) mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik ein pnp- oder npn-Transistor, --- bevorzugt ein epitaktischer Siliziumtransistor --- verwendet ist, dessen Emitteranschluß (12a) mit einem ersten Anschluß (la) des Kondensators (1) verbunden ist, und dessen Basisanschluß (12b) mit einem zweiten Anschluß (1b) des Kondensators (1) verbunden ist und dessen Kollektoranschluß (12c) zum Eingang (5a) eines Strom-Spannungs-Wandlers (5) führt, dessen Masseleitung (5b) auf einem anderen Potential liegen kann als der Basisanschluß (12b) des Transistors (12) (Fig. 4a).

6. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstrecke (5a/5b) des Strom-Spannungs-Wandlers (5) durch einen Ohmschen Widerstand (14) gebildet ist, und daß durch diese Maßnahme eine direkte Strom-Spannungs-Wandlung erfolgt (Fig. 4b).

7., Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen A 1 - 6 9 dadurch gekennzeichnet, daß durch nichtlineare Schaltungmaßnahmen im Strom-Spannungs= Wandler ( 5 ), z.B. durch Parallelschalten einer Zenerdiode zu dem den Konversionsfaktor des Strom-Spannungswandlers bestimmenden Ohmschen Widerstand, bewirkt wird, daß dessen Ausgangsspannung konstant bleibt oder schwächer als proportional zum Eingangsstrom ansteigt, sobald der Eingangsstrom ( 1 ) den Wert übersteigt, der bei der kürzesten vorkommen-0 den Periodendauer durch den nichtlinearen Wirkwiderstand fließt, und daß sich weiter durch diese Maßnahme trotz Begrenzung ,der Ausgangsspannung ( U ) der Eingangswiderstand des Strom-Spannungs Wandlers ( 5 ) nicht , erhöht. gekennzeichnet, daß durch nichtlineare Schaltungsmaßnahmen im Strom-Spannungs-Wendler (5) bewirkt wird, daß dessen Aus- gangsspannung (Ua) ab ei sen Wert des Eingangsstromes (I) konstant bleibt oder schwächer als proportional mit dem Ein rom ansteigt, ohne daß sich dabei der Einga er-

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 6, 7 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturabhängigkeit des nichtlinearen Wirkwiderstandes mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik durch eine entsprechende Temperaturabhängigkeit der Kapazität des Kondensators, des Konversionsfaktors des Strom-Spannungs-Wandlers oder des Übertragungsfaktors der Speicherschaltung kompensiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschaltung eines Kondensators und eines nichtlinearen Wirkwiderstands mit exponentieller Strom-Spannungs-Charakteristik durch eine im elektrotechnischen Sinn duale Schaltungsanordnung ersetzt ist, beispielsweise durch die Serienschaltung einer Induktivität und eines nichtlinearen Wirkwiderstands mit logarithmischer Strom-Spannungs-Charakteristik.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine so ausgebildete Speicherschaltung verwendet wird, daß, falls der momentane Betrag oder Wert des Eingangssignals der Speicherschaltung unter denjenigen Betrag oder Wert des Eingangssignals der Speicherschaltung sinkt, der zum Ende der vorhergehenden Periode des Meßsignals gespeichert wurde, eine sofortige laufende Korrektur des gespeicherten Betrags oder Werts gemäß dem momentanen Eingangssignal der Speicherschaltung erfolgt, wobei der zweite me¢hanische oder elektronische Schalter (6) , dem zu diesem Zweck z.B. eine Diode (6a) parallelgeschaltet ist (Fig. 2), als zur Speicherschaltung gehörig zu betrachten ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ende einer jeden Periode des Meßsignals die Spannung am nichtlinearen Wirkwiderstand (2) bzw. am Kondensator (1) gemessen wird, die zu diesem Zeitpunkt proportional dem Logarithmus der reziproken Periodendauer und somit proportional dem Logarithmus der Frequenz des Meßsignals ist,und daß die besagte Spannung messung darin besteht, daß die am nichtlinearen Wirkwiderstand (2) bzw. am Kondensator (1) am Ende jeder Periode des Meß signals liegende Spannung direkt oder nach Verstärkung über den zweiten mechanischen oder elektronischen Schalter (6) der Speicherschaltung (7) zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß von der am nichtlinearen Wirkwiderstand (2) bzw. am Kondensator (1) liegenden Spannung in geeigneter Weise --- z.B. unter Verwendung eines Differenzverstärkers (18) --- eine solche Festspannung subtrahiert wird, daß die Ausgangsspannung des Frequenzmessers bei der längsten vorkommenden Periodendauer bzw. bei der kleinste vorkommenden Frequenz des Meßsignals zu Null wird (Fig. 7)o

13. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Maßnahmen zur Temperaturkompensation vorgesehen sind, wobei von der am ersten nicht linearen Wirkwiderstand (2) liegenden Spannung (U1) eine zweite Spannung (Uv) --- gegebenenfalls unter Verwendung eines Differenzverstärkers (18) --- subtrahiert wird, die an einem zweiten, dem ersten gleichartigen nichtlinearen Wirkwiderstand (16) liegt, der von einer Stromquelle (17) gespeist wird, die gegebenenfalls so ausgebildet ist, daß der von ihr gelieferte Strom temperaturabhängig ist und wobei bei Verwendung eines Differenzverstärkers (18) dieser gegebenenfalls so ausgebildet ist, daß sein Verstärkungsfaktor temperaturabhängig ist.

14. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 - 142 dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch den zweiten nichtlinearen Wirkwiderstand (16) so gewählt wird, daß bei der längsten vorkommenden Periodendauer bzw. bei der kleinsten vorkommenden Frequenz des Meßsignals die Ausgangspannung (Ua) des Frequenzmessers zu Null wird.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Spannung t1) am ersten nichtlinearen Wirkwiderstand (2) bzw. am Kondensator (1) eine zweite Spannung (Uv) --- z.,B. unter Verwendung eines Differenzverstärkers (18) -subtrahiert wird, die so gewählt ist, daß bei der kleinsten vorkommenden Periodendauer des Meßsignals die Differenz zwischen besagter erster Spannung und besagter zweiter Spannung zu Null wird, wobei der Absolutwert der besagten Spannungsdifferenz proportional dem Logarithmus der Periodendauer des Meßsignals ist.

i6. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 16 - 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine so ausgebildete-Speicherschaltung verwendet wird, daß, falls der momentane Betrag oder Wert des Eingangssignals der Speicherschaltung über denjenigen Betrag oder Wert des Eingangssignals der Speicherschaltung steigt, der zum Ende der vorhergehenden Periode des Meßsignals gespeichert wurde, eine sofortige und laufende Korrektur des gespeicherten Betrags oder Werts gemäß dem momentanen Eingangssignal der Speicherschaltung erfolgt, wobei ein zweiter mechanischer oder elektronischer Schalter (6), dem zu diesem Zweck z.B. eine Diode (6b in Fig. 7) parallelgeschaltet ist, als zur Speicherschaltung gehörig zu betrachten ist.

17. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die am zweiten nichtlinearen Wirkwiderstand (16) liegende zweite Spannung (Uv) durch entsprechende Wahl des durch den zweiten nichtlinearen Wirkwiderstand (16) fließenden Stromes Iv) so groß gewählt wird, daß bei der kürzesten vorkommenden Periodendauer des Meßsignals besagte Spannungsdifferenz zu Null wird.

18. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß auch die mittlere Ereignishäufigkeit bzw.

der mittlere zeitliche Ereignisabstand von nichtperiodischen Meßsignalen, deren zeitliche Ereignisfolge durch statistische Gesetzmäßigkeiten bestimmt ist, gemessen wird, wobei gegebenenfalls zur Verminderung der statistischen Streuung des Meßwerts ein Frequenzteiler zwischen die Quelle des Meßsignals und den Eingang der Anordnung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, eingefügt sein kann0 19. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung geeigneter Meßwandler, z.B. Lichtschranken oder induktiven Impulsgebern, auch die Frequenz bzw. Periodendauer oder mittlere Er'eignishäufigkeit bzw. der mittlere zeitliche Ereignisabstand von nichtelektrischen Vorgängen gemessen wird.

20. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine direkte mechanische Betätigung des zur Durchführung des Verfahrens verwendeten ersten und zweiten Schalters, z.B. durch eine Nockenwelle, erfolgt.

L e e r s e i t e