DE2126441A1 - Elektronisches Meßinstrument mit digitaler Anzeigevorrichtung - Google Patents

Description

München» den 27 * Mai 1971 Unser Zeichen: 65- 807

Elektronisches Meßinstrument mit digitaler Anzeigevorrichtung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Meßsyβtem, insbesondere ein elektronisches Meßinstrument mit hybrider Anzeige, das aus analogen und digitalen Komponenten besteht, wobei letztere durch eine Schaltung für die automatische Bereichseinstellung und Anzeige untereinander verbunden sind» "

Instrumente zum Messen elektrischer Werte» 8°B₀ von Strom oder Spannung* entweder mit analoger Anzeige in üblichen Mengeraten oder mit digitaler Anneige unter Verwendung von Ziffernanteigeröhren sind an sich bekannt« Bei solchen Instrumenten sind häufig Schaltvorrichtungen «um Erweitern der Anzeige auf verschiedene, vorbeetimwte Meßbereich üblich.

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I» wurde bereit· versucht, den eingestellten Moßbereioh der Heftvorrichtung mittel« einer Digitalanzeige ansuseigen» Dies ist edn günstiger Weg für den Benutser, um den eingestellten Bereich einfaoh ablesen su können_o Bine derartige digitale Meftberelchs-* anieig* ist ebenfalls bereits in Kombination mit einer automatischen ^^bereichsumschaltung bekannt»

Der Erfindung liegt die Aufgab« sugrunde, ein elektrisches Μββ-instrument für mehrere Bereiche *u schaffen, in welchem eine hybriw φι Anseige mit digitalen und analogen Komponenten als kombinierte Anieige einer gemessenen elektrischen GrOA* erfolgt,

Qemftfi einem Merkmal der Erfindung «erden die verschiedenen Bereiche» auf die die analoge Vorrichtung ansprechen soll» automatisch in Übereinstimmung mit der Höhe der Eingangssignal· umgeschaltet, wobei Digitalanzeige gleichzeitig betätigt wird und ein integriertes der Skala der analogen Vorrichtung bildet.

Sin Vorteil des Heftinetrumentes nach der Erfindung liegt darin, daft tujtor seiner automatischen funktion Hilfsstromkreise vorgesehen sind, die die Bingangs&mpedan* bei allen Bereichen unverändert lassen«

91* Erfindung ist in folgenden anhand schematisoher Zeichnungen an AttsfUhrungst»e$$pi«3, näher erläutert»

, 1 .Sfigt ein Schaltbild einer Schaltung, die die Digital* und

verbindet

3 seiet die hybride Anseige bei Einstellung des niedrigsteh WtAbereiohs

I tnispriohm einer Ansicht dt? Fif.8» jedooh bei Einstellung 4·· olshst höheren Mt*bti>eichs, und

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I «ftttpytah* der Ansieht Wh yig« 3 Nl Einstellung des hoch-

Vorweg sei erwähnt« da* ein MeAinstruraent nach der Erfindung verschiedene Arten von analogen Vorrichtungen mit einer Skala und einem Zeiger urafaesen kann. In den meisten Fallen wird ein Übliches Drehspulinstrument verwendet_o Der digitale Tfil kann aü» einer beliebig*! Art einer numerischen, mechanischen oder elektronischen Anzeigevorrichtung bestehen, RoB_n OHninlajnpen, deren Kathoden in Gestalt von Ziffern auegebildet sind» die bei Anlegen einer bestieraten Spannung aufglimmen₀ Bin wichtiger Gesichtspunkt ist der umstand, daft die Skalenaneeige und die besondere Digitalanceige, die numerisoh kombiniert sind, ein integrale· Teil des gesamtes Anseige- -instrumente sind_c Bei dem im folgenden erläuterten Beispiel erscheint die Digitalanzeige als erste Stufβ auf einer Heftskala, wobei letzter* die iusätelichen Ziffern des gesamten Meßwertes darstellte Bei geeigneten Schaltungsmodifikationen der automatischen Bereichsumschaltung kann die Digitalanzeige als Multiplikator für den Skalenwert der analogen Vorrichtung dienen. In Jedem Pail stellen die beiden Aniseigen Jedoch «ine einheitliche Anzeige dar, die da· direkte Ablesen der gemessenen Qr$fce ermöglicht, im Gegensatz eu bisherigen Vorrichtungen, bei denen die Digitalanzeige lediglich den eingestellten Bereich der analogen Heftvorrichtunganieigt _o

Die in *ig* i abgestellte 8oh*Atun£ nach der Erfindung IMt sich In eeohs wesentliche Baugruppen einteilenc

Aatloge Vorrichtung

Bs fcandtU sich hiereei u» ein übliches Keieerftt iO «it eine« Serien« widerstand U sun Einstellen des Qrundbere ic hes. I« Öle ic hstroabetrieb kann das Meft»erÄt IO ein übliches OrehspuUikroanpÄremeter sein, so da* sioh eine feitert Besahreibun« erObriitv ^D»⁸ Meßgerat wird von einer Sonde 12 gespeist, deren ftuterer ϊβϋ Β geerdet ist» so daft der leitungskreis an einen AnschluA des Heßgerfttes vervoli·- «tftndigt ist« Der Weßteil ist mit de« Vorwiderstand 11 verbunden«

Ein Spannungsunterschied zwischen Erde urdder Sonde 12 führt einen Ausschlag des Heßgerätes herbei,, Der spezielle Bereich, bei dem für ein bestimmtes Eingangssignal der Ausschlag ein Maximum erreicht, wird durch den Vorwiderstand 11 festgelegte

Digitalanzeige

Als Beispiel für die Digitalanzeige ist eine Gasentladungsröhre 15 dargestellt, welche üblicherweise Ziffernanzeigeröhre genannt wird, und insgesamt zehn Kathoden aufweist, deren Gestalt jeweils einer Ziffer entspricht und die beim Anlegen einer Spannung aufleuchten„

Der Einfachheit halber sind nur drei Kathoden» 16, 17 und 18 mit einer gemeinsamen Anode 19 gezeigte Dies ergibt eine numerische Anzeige von drei Größen, etwa O₈ 1 und 2„

Die Sehalttransistoren Q 20, Q 21 und Q 22 steuern den Strom zu den Kathoden 16, 17 und 18„ Die Basiselektroden 23 und 24 der Tran« sistören sind mittels Leitungen 32 und 33 mit einer Steuerschaltung verbundene Der Emitter des Transistors Q 22 ist über eine Leitung 34 mit der Steuerschaltung verbundene

Stromversorgung

Das Stromversorgung»teil umfasst einen üblichn Gleichrichter mit Filterο Die Stromversorgung umfasst drei verschiedene Gleichstromquellen,, Die Sekundärwicklung 4i eines Transformators 40 ist mit einem Brückengleichrichter 42 verbunden, der in Verbindung mit den Giettungskondensatoren 43 und 44 eine Betriebsspannung für die verschiedenen elektronischen Bauteile liefert-. Von dieser Stromversorgung führt ein Vorwiderstand 45 an eine Zener-Diode Z46, die geerdet ist und eine BezugsSpannungsquelle bildete Die Sekundärwicklung 47 liefert Über einen Gleichrichter 48 und einen Widerstand 50 die Speisespannung für die Anode 19 der ZiffernanzeigerÖhre 15c

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Automatische Signalsensoren

Die beiden Operationsverstärker OP3O und 0P31 führen diese Punktion ausη Derartige Verstärker werden bei verschiedenen Schaltungen als herkömmliche Komponenten einer Halbleiterschaltung verwendete Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dienen diese Verstärker als rege«= nerative bistabile Elemente, deren Schaltzustand von der Amplitude der Eingangsspannung abhängte Eine derartige Schaltung wird im allgemeinen mit Schmitt - Trigger bezeichnet und dient dazu, eine Umschaltung von Bauteilen bei einem bestimmten Spannungsniveau zu bewirken, Der positive, doh„ niclt inverse Eingang der beiden Operationsverstärker hat Masse als Bezugspunkt. Der negative, doh_o inverse Eingang weist einen Spannungsteiler mit den Widerständen 5*f und 55 auf für den Operationsverstärker OP3O und mit den Widerständen 56 und 57 für den Operationsverstärker OPJIo Die Widerstände 55 und 57 sind an den negativen Pol 58 der Spannungsquelle angeschlossen, und die Widerstände 54 und 55 sind mit dem Anschluß 59 verbunden, an dem auch die Meßsonde angeschlossen ist α

Von dem Ausgang des Operationsverstärkers OP3O führt ein Gegenkopplungsnetzwerk zu dem nicht inversen Eingang, welches die Widerstände 61 und 62 für den Operationsverstärker 0P31 und die Widerstände 63 und 64 umfasste.

Pie Operationsverstärker 0P30 und 0P31 haben drei Punktionens

a) Sie sollen das Eingangsniveau feststellen« wenn die Sonde 3.2 an die zu messende Spannungsquelle angeschlossen ist ο

b) Sie aollen die Transistoren Q 20, Q 21 und Q 22 zum Treiben der Ziffernanzeigeröhre 15 achalten, und

c) Sie sollen die Stromleitfähigkeit in einer "Stromsenke" steuern, um den Strom außerhalb eines Meßbereichs von* Meßgerät 10 abzulenken*

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Stromsenke

um die Eingangsimpedans des Meßgerätes bei den verschiedenen Heßbereichen oberhalb des Grundbereichs beizubehalten, können gewöhnliche Querwiderstände zur Ableitung des Stromes nicht verwendet werden, da die effektive Eingangsimpedanz hierdurch verringert würde_o Gemäß der Erfindung übernehmen jedoch Schaltelemente mit den Transistoren Q 70 und Q 71 diese Aufgabe, welche so geschaltet sind, daß eine feste Besiehung zwischen dem Kollektor·= strom und der Basisspannung besteht„ Bei Erhöhung der Basisspannung nimmt auch der Kollektorstrom proportional zuο Außerdem ist der gemeinsame Anschluß der Basiselektroden mit dem Kollektor 7^ des Transistors Q 71 verbundene Die Emitter 75 und 76 der Transistoren Q 70 und Q 71 sind zusammengeschaltet und an die Bezugsspannung uqt Zener-Diode Z HS angeschlossen°

Vorausgesetzt, daß die Transietoren Q 70 und Q 71 angepasst sind« so bleiben in dieser Schaltung die Kollektorströme immer gleich, und auf Grund der Basisverbindung mit dem Kollektor Q 71 steuern diese Transistoren einander, so daß ein bestimmter Strom bei einer Vorspannung der Basiselektroden in Durchlassrichtung auftritt-_o Zn der Praxis sind die Tranaistoren Q 70 und Q 71 Teil einer integrierten Schaltung und haben daher die gleichen Eigenschaften, Wenn der Transistor Q 70 oder Q 71 leitend ist, fließt ein Strom iron der Stromquelle durch die Wicklung des Meßinstrumentes 10 entgegengesetzt au dem Strom, der von der Erregung der Eingangsschaltung herrührt ο

Abschließend sei au dieser Schaltung gesagt, daß die Steuerung dei* Leitfähigkeit des Stromabfalls von dem Ausgang der Verstärker ÖP3G und 0P31 durch Schalten der Transistoren Q 72 und Q 73 vorgenömms-a m%vA» Die Basis 74 des Transistors Q 72 wird über den Vorwidei* stand 77 an die Verbindungsstelle der Widerstände 75 und 76 in & Ausgangsschaltung des Operationsverstärkers 0P30 angeschlessasi, _ In ähnlicher tfeis© ist die Ba&is 78 des Transistors Q ?3 ühm- -

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Vorwiderstand 8l an die Verbindungsstelle der Widerstände 79 und in der Ausgangsschaltung des Operationsverstärkers 0P51 angeschlossen Die Emitter 82 und 83 der Transistoren Q 72 und Q 73 sind durch die Leitung 84 mit Masse verbunden« Der Kollektor 86 des Transistors Q 72 ist mit dem Kollektor des Transistors Q 71 nacheinander Ober einen Widerstand 87 und einen.variablen Widerstand 88 verbunden. Ähnlich ist der Kollektor 90 des Transistors Q 73 an den Kollektor 7²I nacheinander über einen Widerstand 91 und einen variablen . . Widerstand 92 angeschlossen»

Treibertransistoren für die Ziffernanzeigeröhre

Wie bereits erwähnt, steuern die Transistoren Q 20, Q 21 und Q 22 die Erregung der Kathoden 16, 17 und 18 der Ziffernanzeigeröhre,, Folglich sind diese Elektroden an die Kollektoren der entsprechen* den Treibertransistoren angeschlossen_o Die Emitter der Transistoren sind mit Hasse entweder direkt verbunden, wie bei dem Tran" sistor Q 22, oder über Dioden 95 Άύύ $6, welche dazu dienen, die gegensinnige Vorspannung unter gewissen Betriebsbedingungen zu begrenzen»

Wirkungsweise

Der Einfachheit halber soll angenommen werden, daß das Meßgerät 10 ein MikroampSremeter mit einem Vollausschlag von 100 Mikroampere ist und daß der Widerstand 11 so gewählt ist, daß sich die gewünschte Empfindlichkeit ergibt, nämlich Vollausschlag bei einer Spannung von 1 Volt« Wenn am Eingang der Sonde 12 eine Spannung von 0,5 Volt anliegt, zeigt der Zeiger des Meßinstrumentes auf den Skalenwert 0,5.

Baslaneßbereioh von 0 bis 1 Volt wird der Traneistor Q 20 durch den AuagangBstrom des Operationsverstärkers OP3O in Durchlassrichtung vorgespannt, und somit ist die Kathode 16 der Ziffernanzeigeröhre alt Naese verbunden. Durch die angelegte Anodenspannung entsteht ein« Glimmentladung in der Ziffernanzeigeröhre, wobei die Kathode

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aufleuchtet und die Ziffer O anseigt_o Dieser Zustand ist in Figo dargestellt» wobei die Anordnung derart ist» daß die Digitalanseige neben der Skalersanseige dee MeBgerätöE liegt ο

Wenn die Eingangsspannung höher als 1 Volt ist^ S₀B₀ 1_S5 VoIt₈ wird diese Xnderung der Eingangsspannung von üem Operationsverstärker 0P30 festgestellt _s der die Basistroiberspannung von dem Transistor Q 20 fentnimmt ο Der Äusgangsstrom des Operationsverstärkers 0P30 triggert nunmehr den■ transistor Q 72, so daß dieser leitend wird, ' und legt eine solche Vorspannung an den Transistor Q JO_s daß ein Strom von der· Besugssp&nnungsqu&lle Z 46 über die Wicklung des Meßinstruments 10 nach Erde fließt_o Dieser Strom hat den festen Wert von 100 Mikroampere und eine solche Polarität, daß der Zeiger des Meßinstruments auf 0,5 seigto Die Kathode 1β der Ziffernanzeigeröhre 15 ist nunmehr abgeschaltet₉ und die Kathode wird leitends da der Transistor Q 21 leitend geworden ist auf Grund der Emittertreiberspannung von dem Operationsverstärker OP3O0

3 zeigt die entsprechende Anzeige des Meßinstruments, wobei die Zahl 1 links auf der Skala mit in die Skala ©inbeaogen ist, so daß am Meßinstrument der Wert 1_S5 Volt abgelesen werden kann_o

Wenn die Eingangsspannung über 2 Volt steigt, wird der Ausgang des Operationsverstärkers 0P31 auf einen negativen Wert geschaltet«, Dabei ist der Transistor Q 73 eingeschaltet _s b© daß der Transistor Q 71 leitend wird, wobei 160 Mikroampere. fließen, (Sie durch den variablen Widerstand 92 abgestellt aindo Der gesamte Strorofluß beim Stroraabfall beträgt nun 200 Mikroampere. von der Bezugs·= Spannungsquelle Z H6_S so daß die Anseige auf dem Meßinstrument auf 0₈5 Volt bleibtο Jedoch wird jetzt die Kathode 16 der Ziffern« ansseigeruhre 15 auf Grund des Ansehaltens des Transistors Q 22 vom Ausgang ües Operationsverstärkers 0P31 erregt_£. und die Glimmentladung sseigt die Zahl 2 an_D Dieser Zustand ist in Figo H gezeigt_s wo die Skala 2,5 Volt anzeigte

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Die Pegelbestimmung der Operationsverstärker ist an dem Betriebspunkt i Volt des Verstärkers 0P30 und 2 Volt des Verstärkers 0P31 kritisch, so daß diese Verstärker, wenn die Eingangsspannung entweder genau 1 Volt oder 2 Volt beträgt, driften und die Schalt« bedingungen instabil werdenο Um dies zu verhindern, ist eine Gegenkopplungsschaltung vorgesehen aus den Widerständen 61 und für den Operationsverstärker 0P30 und den Widerständen 63 und 64 für den Operationsverstärker 0P31, und diese Gegenkopplungsschaltung wirkt hystereseartig und eliminiert ungewisse Pegelbestimmungen, so daß das richtige Schalten der Verstärker auch dann gewährleistet ist, wenn die Eingangsspannung genau 1 Volt oder 2 Volt beträgt ο Die hystereseartig arbeitende Gegenkopplung ermöglicht eine Unter» scheidung der Runterschaltung und der Raufschaltung der Schaltbereicheo Dies kann leicht durch zusätzliche Skalenmarkierungen ober- und unterhalb der Skalenenden auf dem Meßgerät behoben werden«

Die drei Betriebsbereiche sind also* 0 bis 1 Volt, 1 bis 2 Volt und 2 bis 3 Volt» Wenn die Eingangsspannung zwischen 0 und 1 Volt liegt, wird auf Grund des niedrigen Eingangspegels weder der Operationsverstärker OP3O noch der Operationsverstärker 0P3i eingeschaltet ο Da die Basis 23 des Transistors Q 20 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP3O über die Widerstände 75 und 76 fest verbunden ist, wird die Zahl 0 eingeschaltet, d_oh_o die Kathode 16 ' der Ziffernanzeigeröhre 15« Da die Basis 2*1 des Transistors Q fest mit dem Ausgang des Opertaionsveratfirkers 0P31 über den Widerstand 79 verbunden ist, wird die Basis 24 von der Diode 96 in Klammerschaltung gespeiste Da jedoch dessen Emitter fest mit der Basis 23 de» Transietors Q 20 verbunden ist, wird der Tran« sistor Q 21 in Sperrichtung vorgespannt <. Der Transistor Q 22 1st abgeschaltet, da sein Emitter über die Widerstände 80 und 79 mit dem Ausgang dea Operationsverstärkers 0P31 verbunden istη Dadurch wird der Transistor Q 22 in Sperrichtung vorgespannt»

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Venn die Eingangsspanmmg zwischen 1 und 2 Volt liegt, wird der Ausgang des Operationsverstärkers 0P30 umgeschaltet und die Basistreiberspamtung vom Transistor Q 20 fortgenoinmen,, so daß die 0=°Anzeige der Ziffernanzeigeröhre 15 ausgeschaltet wirdo Pa der Emitter des Transistors Q 21 mit demselben Punkt ver= bunden ist, wird er von der Efaittertreiberspannung eingeschaltet_p was das Einschalten der Zahl 1 der Ziffernanzeigeröhre bewirkt. Der Transistor Q 22 wird nicht in seinem Schaltsustand verändert, da die Schaltschwelle des Operationsverstärkers 0P31 auf einen . höheren Eingangspegel eingestellt ist, der hier nicht erreicht wirdo

Wenn die Eingangsspannung zwischen 2 und 3 Volt liegt, werden beide Operationsverstärker 0P30 und 0P31 umgeschaltet, so daß die Transistoren Q 20 und Q 21 in Sperrichtung vorgespannt sind und der Transistor Q 22 eingeschaltet wird* so daß die Zahl 2 in der Ziffernanzeigeröhre aufleuchtet _o

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ί lo) Elektronisches Meßgerät mit hybrider Anzeige, mit einem Meßinstrument, das eine Skala für einen festen Bereich sur analogen Anzeige einer elektrischen Größe hat₆ und mit einer der Skala zugeordneten digitalen Anzeigevorrichtung, gekennzeichnet durch eine amplitudengesteuerte, mit der Eingangsschaltung gekoppelte elektronische Schalteinrichtung zum Steuern der Digitalanzeigeeinrichtung, durch eine der Eingangsschaltung zugeordnete Neben« schlußechaltung zum Konstanthalten der Eingangsimpedanz„ und durch die Kombination der Digitalanzeige und der Analoganzeige.

   2, Meßgerät nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß die amplitudenabhängige Schalteinrichtung eine Anzahl Pegeldetektoren umfasst, die an die Eingangsschaltung angeschlossen und wahlweise vorgespannt sind, so daß si® bei überschreiten der eingestellten Pegel umschalten«

   3ν Meßgerät nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußschaltung eine Konstantspannungsquelle umfasst, die in Reihe mit der Eingangsschaltung liegt, eine Anzahl in derselben angeordnete Widerstände, die jeweils einen bestimmten Strom durch das Meßinstrument leiten, und zwar gegensinnig zu dem darin fließenden von den EingangsSignalen herrührenden Strom, und daß die Spannungsteiler mit Schalteinrichtungen gekoppelt sind, die von dem Signalpegel gesteuert werden*

   kο Meßgerät nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalanzeigeeinrichtung Ziffernanzeigeröhren umfasst mit einer gemeinsamen Anode und einer Anzahl ssiffemförmig gestalteter Kathoden., daß jeder Kathode eine Schalteinrichtung zugeordnet ist, und daß die Schalteinrichtungen von den Signal« pegeln gesteuert wordene

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   4*

   Meßgerät nach Anspruch 1 bis H₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung zwei Operationsverstärker (OP3O, OP31) umfasst«,

   6α Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet ₉ daß die Operationsverstärker als regenerative bistabile Schaltung geschaltet sind«

   7« Meßgerät nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteiler ein Paar Transistoren umfassen» deren Basiselektroden miteinander und mit einer der Kollektorelektroden verbunden

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