DE2106421C - Schaltung zur Umwandlung des Effektiv werts eines elektrischen Eingangssignals in eine Gleichspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Umwandlung des Effektivwerts einer elektrischen Eingangsgröße in eine Gleichspannung.

Bei einem Ausführungsbeispiel der bisherigen Schaltungen zur Umwandlung des Effektivwerts einer elektrischen Eingangsgröße in eine Gleichspannung wird zunächst die elektrische Eingangsgröße quadriert und dann die Quadratwurzel des Mittelwerts gezogen, wogegen bei einem anderen Ausführungsbeispiel die elektrische Eingangsgröße durch einen Heizdraht geleitet wird, wobei die so erzeugte Wärmemenge mittels eines Thermoelements gemessen wird. Es ist jedoch mühsam, das Eingangssignal zu quadrieren und dann die Quadratwurzel des Mittelwertes zu ziehen. Auch die Schaltung mit dem Heizdraht ist nicht stabil, wodurch die Meßgenauigkeit durch überlastung oder Alterung beeinflußt wird. Außerdem spricht diese Schaltung sehr langsam an, und ihre Arbeitsgenauigkeit ist gering.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine neuartige Schaltung einfacher Bauart zur Umwandlung des Effektivwerts einer elektrischen Größe in eine Gleichspannung zu schaffen. Weiter soll erfindungsgemäß eine verbesserte Schaltung zur Umwandlung des Effektivwerts einer elektrischen Größe in eine Gleichspannung vorgesehen werden, die mit hoher Ansprechgeschwindigkeit und hoher Genauigkeit arbeitet.

Erfindungsgemäß werden diese und andere Vorteile durch eine Schaltung zur Umwandlung des Effektivwerts eines elektrischen Eingangssignals in eine Gleichspannung erreicht, gekennzeichnet durch eine Integrationsschaltung zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung, durch erste Mittel zur Addierung des Eingangssignals zu einem von der Ausgangsseite der Integrationsschaltung zurückgeführten Signal, durch zweite Mittel zur Subtraktion des Rückführungssignals vom Eingangssignal und schließlich durch eine Vorrichtung zur" Multiplikation des Ausgangssignals des ersten Mittels mit dem Ausgangssignal der zweiten Mittel, um das Produkt dem Eingang der Integrationsschaltung einzuspeisen.

Die Zeitkonstante der Integrationsschaltung ist so hinreichend bemessen, daß die Wechselspannungskomponente des Eingangssignals genügend gedämpft wird. In dem Signalübertragungskreis zwischen dem Vervielfacher und der Integrationsschaltung ist eine regelbare Verstärkerschaltung vorgesehen, deren Verstärkungsgrad hoch ist, wenn das Eingangssignal kleiner ist als ein bestimmter Sollwert, während der Verstärkungsgrad klein ist, wenn das Eingangssignal den Sollwert übersteigt.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. In den Zeichnungen ist

F i g. 1 das Blockschaltbild der Grundausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung,

F i g. 2 und 3 je ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die Schaltung der F i g. 1 besitzt den Vervielfacher 12, dessen Ausgangssignal dem Produkt der beiden Eingangssignale entspricht, die Integrationsschaltung 14, deren Zeitkonstante CR ausreichend bemessen ist, um die Wechselspannungskomponente der Eingangssignale zu dämpfen, die Addierwerke 16 und 18 sowie die Inversionsschaltung 20. E₁- stellt die Eingangsund E₀ die Ausgangsspannung dar. Die negative Summe aus dem Eingangssignal E, und der Ausgangsspannung -E₀ gelangt über das Addierwerk 16 an einen Eingang des Vervielfachers 12, wogegen die Summe der Eingangsspannung E₁- und der Ausgangsspannung E₀ über das Addierwerk 18 an den anderen Eingang des Vervielfachers 12 gelangt. Das Ausgangssignal des Vervielfachers 12 wird in der Integrationsschaltung 14 integriert und ergibt die Ausgangsspannung Ep.

Die in F i g. 1 gezeigte Schaltung arbeitet wie folgt. Da die Ausgangsspannung (Ef-El) des Vervielfachers 12 der Integrationsschaltung 14 eingespeist wird, wird die Ausgangsspannung E₀ der Integrationsschaltung 14 durch die folgende Gleichung dargestellt:

E₀ = -

CR

(E? - £3) dt.

Somit integriert die Integrationsschaltung 14 die Differenz zwischen den Quadraten der Eingangsspannung Ε; und der Ausgangsspannung E₀. Wie oben erwähnt, ist die Zeitkonstante der Integrationsschaltung 14 hinreichend bemessen, um die Wechselspannurigskomponente zu dämpfen, und somit entspricht die Ausgangsspannung E₀ dem inteerierten Wert der Gleichspannungskomponente der Differenz [Ef-E₀). Somit ändert sich die Ausgangsspannung E₀ so lange, wie die Gleichspannungskomponenten von E- und £5 unterschiedlich sind, und wird konstant wenn der Unterschied zwischen den beiden Gleichspannungskomponenten Null wird.

Stellt man die Eingangsspannung £_; durch die Fourier-Reihe

Somit wird die Ausgangsspannung E₀ unter diesen Bedingungen durch die folgende Gleichung angegeben

E₀ = ±

Ei = E + ]Γ E_n sin (n<„t + O_n)

dar. dann ist

^-f^^rEl

(2)

- cos 2 (»i(„t 1- O_n)

sin (nf„r +

(3)

_h E_k sin (hmt + (-)_h) sin (k,„t + <-)_k).

35

i.i dieser Gleichung stellen die beiden Glieder der Zeile 1 die Gleichspannungskomponenten dar während die zweite und die folgenden Zeilen die Wechselspannungskomponenten ausdrücken. Somit wird die Difterenz zwischen den Quadraten der Eingangsspannung £_; und der Ausgangsspannung E₀ durch die folgende Gleichung angegeben:

Die rechte Seite der Gleichung 6 wird durch die Quadratwurzeln der Summe der Quadrate der Effektivwerte der entsprechenden Anteile der Eingangsspannung E_t ausgedrückt, und dies heißt, daß dieses Glied der Gleichung den Effektivwert der Eingangsspannung £,· darstellt. Wenn somit die Ausgangsspannung £₀ der Integrationsschaltung 14 ihren Endwert erreicht, so stellt dieser den Effektivwert der Eingangsspannung dar.

F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild eines anderen Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung, das im allgemeinen mit dem der Fig. 1 identisch ist. ausgenommen daß hier das. Vorzeichen der Eingangsspannung £_; an Stelle das der Ausgangsspannung geändert wird, um die Differenz £,-£0 ^" erhalten. Auch in der Schaltung der F i g. 2 stellt die Ausgangsspannung E₀ der Integrationsschaltung 14 den Effektivwert der Eingangsspannung £, dar, wenn die Differenz zwischen den Gleichspannungskomponenten des Eingangssignals der Integrationsschaltung 14 Null wird.

Bei einem Vergleich mit früheren Schaltungen, bei welchen die Eingangsspannung quadriert wird und dann die Quadratwurzel des Mittelwertes gezogen wird, ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung einfacher, und bei einem Vergleich mit der früheren Schaltung, bei welcher ein Thermoelement zur Anwendung kommt, besitzt die neuartige Schaltung höhere Genauigkeit und ein größeres Ansprechvermögen und ist außerdem stabil.

Betrachtet man die Polarität des der Integrationsschaltung 14 der Grundausführung der Fig. 1 eingespeisten Rückführungssignals, so ist der positive Wert

£² + 74

-γ COS 2 (»Km/ + M_n)

EE_n sin (iimt + (-)„) (A)

₁₁ sin (ηώ/ + M_n) ■

h*k

sin (kmt + e_k).

Da die durch die zweite und folgenden Zeilen dargestellten Gleichspannungskomponenten nicht im integrierten Wert enthalten sind, erreicht die Ausgangsspannung E₀ der Integrationsschaltung 14 einen bestimmten Wert im Zustand von der rechten Seite der Gleichung 6 instabil. Wenn die Integrationsschaltung 14 eine positive Ausgangsspannung E₀ erzeugt und wenn die Bedingung Ef - E², an der Eingangsseite der Integrationsschaltung 14 gilt und wenn, sich sodann die Eingangsspannung £,·

gegenüber diesem Zustand in solch einer Richtung ändert, daß sich ihr Absolutwert verkleinert, dann entsteht auf der Eingangsseite der Integrationsschaltung 14 die Beziehung Ef-E₀KO. Da unter diesen Bedingungen die positive Ausgangsspannung der Inte-

grationsschaltung 14 größer zu werden sucht, wird der Wert [Ef-E₀) auf der Eingangsseite der Integrationsschaltung 14 mehr negativ, wodurch sich die Ausgangsspannung E₀ der Integrationsschaltung 14 so lange weiter erhöht, bis eine positive Sättigung erreicht ist.

Andererseits ist der negative Wert

E² +

(5) der rechten Seite der Gleichung 6 stabil und zeigt nicht diese Erscheinung. Somit genügt es,einen stabilen negativen Wert als endgültiges Ausgangssignal zu

erhalten, und der unstabile positive Wert ist nicht erforderlich.

Die Geschwindigkeit der Integrationsschaltung, mit welcher sie ihren Gleichgcwichtspunkt erreicht, wird durch die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung E₀ ausgedrückt:

dr

F²\

(7)

= K(El- E]).

wobei K eine Konstante darstellt.

Angenommen, die Integralionsschaltung 14 nähere sich dem Gleichgewichtspunkt und die Ausgangsspannung E₀ differiere um den Wert IE von der Eingangsspannung £,, so wird die Ausgangsspannung E₀ ausgedrückt durch:

E₀ = E, + IE.

Setzt man diese Beziehung in die Gleichung 7 ein, so erhält man dje folgende Gleichung für die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung E₀:

2S

df

= K

-}· 2 IEE, + ( IE)² - Ej)

= K (2 I£E_; + ( IE)²).

(8)

Dies heißt, daß sich die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung E₀ in Abhängigkeit von der Größe der Eingangsspannung E, ändert. Die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung E₀ verringert sich mit einer Abnahme der Eingangsspannung E₁ und wird minimal, wenn die Eingangsspannung Null wird, vorausgesetzt, daß das Differential AE konstant bleibt. Daher verlangsamt sich die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Integrationsschaltung 14 ihrem Gleichgewichtspunkt nähert, d. h. die Geschwindigkeit für die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe, wenn sich die Eingangsspannung Null nähert, so daß die Verstärkung der Iniegrationsschaltung 14 genügend erhöht werden muß, um eine hinreichende Geschwindigkeit zu erhalten. Wenn jedoch der Verstärkungsgrad der Integralionsschaitung 14 auf einen großen Wert erhöht werden würde, so würde diese bei groß werdender Eingangsspannung durchgesteuert werden.

Das Ausführungsbeispiel der F i g. 3 enthält eine Vorrichtung zur Vermeidung dieser Schwierigkeit. Außer den Schaltungsbauteilen der F i g. 1 sind noch der Rechenverstärker 31, der Eingangswiderstand 33 für.den Rechenverstärker 31, die in Serie geschalteten Rückführwiderstände 35 und 37 sowie die parallelgeschalteten Dioden 40 und 41 vorgesehen. Die Dioden sind zum Widerstand 37 parallel geschaltet, um den Rückfuhrungswiderständen 35 und 37 die Kennlinie einer polygonalen Funktion zu verleihen. Somit ist die Verstärkung des Rechenverstärkers 31 groß, solange die Eingangsspannung dieser Schaltung klein ist, und da die an den Rückführungswiderständen 35 und 37 anliegende Spannung niedrig ist, sperren die Dioden 40 und 41. während die Verstärkung gering wird, wenn die Eingangsspannung erhöht wira, um die an den Rückführungswidersländen 35 und 37 anliegende Spannung zu erhöhen, um die Dioden 40 und 41 durchzusteuern. Zwischen die Ausgangsklemme der Integrationsschaltung 14 und dem Summierungsanschluß 44 ist die Diode 42 geschaltel, um das negative Ausgangssignal der Integrationsschaltung 14 auf einem niedrigen Wert zu halten, wodurch verhindert wird, daß die Integrationsschaltung 14 in negativer Richtung gesättigt wird. Außerdem ist die Diode 43 an den Ausgang der Intcgrationsschallung 14 angeschlossen, um zu verhindern, daß das negative Aüsgungssigria! der !ntegratior.sschaUung !4 zurückgekoppelt wird, wodurch vermieden wird, daß das Ausgangssignal instabil ist. Da der Rcchenverslärkcr 31 des Ausrührungsbeispiels der F i g. 3 zwischen den Vervielfacher 12 und die Intcgrationsschaltung 14 geschaltet ist. wird die Polarität der Eingangsspannung der Integrationsschaltung 14 entgegengesetzt der Polarität der in Fig. 1 gezeigten Schaltung, woraus sich ergibt, daß die Polarität des die unerwünschte Änderung des Ausgangssignals erzeugenden Ausgangs ebenfalls der der in F i g. 1 gezeigten Schaltung entgegengesetzt ist. Somit dient in diesem Falle die negative Polarität der Ausgangsspannung dazu, einen instabilen Ausgang zu verhindern.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung arbeitet wie folgt: Das Ausgangssigna! des Vcrvielfachers 12 wird durch den Rechenverstärker 31 um einen Verstärkungsfaktor verstärkt und gelangt dann an die Integrationsschaltung 14. Somit ist die Arbeitsgeschwindigkeit der Integrationsschaltung 14 selbst dann genügend groß, wenn der Wert der Eingangsspannung E, nahe Null liegt. Wenn sich die Eingangsspannung E, erhöht, um die Ausgangsspannung des Vervielfachers 12 über einen bestimmten Wert hinaus zu vergrößern, so wird der Verstärkungsgrad des Rechenverstärkers 31 durch die polygonale Kennlinie der Rückführungswiderstände 35 und 37 herabgesetzt, wodurch sich auch die Erhöhungsgeschwindigkeit der an der Integrationsschaltung 14 anliegenden Spannung verringert und damit eine Sättigung dieser Integrationsschaltung 14 verhindert. Infolge der Wirkung der Dioden 42 und 43 wird nur eine positive Ausgangsspannung E₀ von der Integrationsschaltung 14 er zeugt, wodurch keine Instabilität auftreten kann Daher arbeitet die in F i g. 3 gezeigte Schaltung stabi und mit hoher Geschwindigkeit

Ist die Frequenz der Eingangsspannung E₁. niedrij und genügt die Zeitkonstante allein nicht, um di< Wechselspannungskomponenten genügend zu dämp fen, so kann dem Rückfiihrungskreis des Rechenver stärkers 31 ein Kondensator zugeschaltet werden, un ihm eine geeignete Zeitverzögerungskennlinie erste Ordnung zu verleihen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Umwandlung des Effektivwerts eines elektrischen Eingangssignals in eine Gleichspannung, gekennzeichnet durch eine Integrationsschaltung (14) zur Erzeugung einer Ausgangs-Gleichspannung, erste Mittel (16) zur Addierung des Eingangssignals zu einem von der Ausgangsseite der Integrationsschaltung (14) zurückgeführten Signal, zweite Mittel (18) zur Subtraktion des Rückführungssignals des Ausgangs der Integrationsschaltung (14) von dem Eingangssignal sowie durch eine Vorrichtung zum Multiplizieren (12) des Ausgangssignab des ersten Mittels (16) mit dem Ausgangssignal der zweiten Mittel (18), um das Produkt dem Eingang der Integrationsschaltung (14) einzuspeisen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie der Integrationsschaltung (14) so ausgebildet ist, daß die Wcchsclspannungskomponente des Eingangssignals der Integrationsschaltung (14) genügend gedämpft wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsschaltung (14) eine Einrichtung (Diode 43) enthält, um die Übertragung eines Ausgangssignals einer bestimmten Polarität zu verhindern.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsschaltung (14) eine weitere Einrichtung (Diode 42) enthält, um das Ausgangssignal einer bestimmten Polarität auf einem genügend niedrigen Wert zu halten.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung mit regelbarem Verstärkungsgrad (3I₄ 33, 35, 37, 40, 41) in den Signalübertragungsweg zwischen dem Vervielfacher (12) und der Integrationsschaltung (14) gelegt ist, wobei die regelbare Verstärkerschaltung (31, 33, 35, 37, 40, 41) einen großen Verstärkungsgrad aufweist, wenn das Eingangssignal kleiner ist als ein Sollwert, wogegen sie mit kleinem Verstärkungsgrad arbeitet, wenn das Eingangssignal einen bestimmten Sollwert übersteigt.