DE2136681C3

DE2136681C3 - Schaltungsanordnung zur Spannungs messung mit vorgebbarer Gleichrichter charakteristik

Info

Publication number: DE2136681C3
Application number: DE19712136681
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. Wien Donko
Original assignee: Norma Fabrik Elektrischer Messgeraete
Current assignee: Norma Fabrik Elektrischer Messgeraete
Priority date: 1970-07-28
Filing date: 1971-07-22
Publication date: 1973-11-29
Also published as: DE2136681B2; DE2136681A1; AT315962B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung mit vorgebbarer Gleichrichtercharakteristik.

Schaltungsanordnungen mit vorgebbarer Gleich richtercharakteristik sind bekannt. Am häufigsten wer den solche mit linearer oder quadratischer Charakte ristik verwendet Die Gleichrichtung der Wechsel spannung erfolgt bei den modernen Verfahren fas ausschließlich mit Halbleiter- oder Schottkydioden die in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Untei den Brückenschaltungen sind auch Anordnungen be kannt, die einzelne Dioden der Brücke durch Widerstände oder Kondensatoren ersetzen, um das Frequenzverhalten der Schaltungsanordnung zu verbessern. Abgesehen vom Frequenzverhalten gewährleisten diese Schaltungsanordnungen nur dann einen linearen Zusammenhang zwischen angelegter Wechselspannung an ihrem Eingang und arithmetischem Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung am Ausgang der Anordnung, wenn die Brückendioden als ideal (Durchgargswiderstand null, Sperrwiderstand unendlich) vorausgesetzt werden. Diese Voraussetzung ist in der Praxis nicht erfüllbar, so daß der erwähnte Zusammenhang zwischen Eingangswechselspannung und arithmetischem Mittelwert der Ausgangsspannung der Brückenschaltung besonders bei kleinen Eingangssignalen nichtlinear ist und daher solche Anordnungen keine genaue lineare Anzeige kleiner Wechselspannungen ermöglichen.

Die Nichtlinearität der Anzeige arithmetischer Mittelwerte gleichgerichteter Wechselspannungen kann verringert werden, wenn man die erwähnten Diodenbrückenschaltungen im Gegenkopplungszweig linearer Verstärker anordnet. Solche Anordnungen arbeiten mit eingeprägtem Strom und sind auch im Zusammenwirken mit Operationsverstärkern bekannt. Die Kompensation der Nichtlinearität derartiger Schaltungsanordnungen ist um so wirksamer, je höher die Leerlaufverstärkung der verwendeten Verstärker ist. Mit höherer Leerlaufverstärkung ist aber zwangläufig eine höhere Instabilität der Anordnungen verbunden. Dieser Umstand beschränkt vor allem die mit solchen Schaltungsanordnungen erreichbare Bandbreite und erhöht den Aufwand. Realisierungen der bisher behandelten Verfahren sind bekannt (Operating and Service Manual Model 400E und Model 457 A der Fa. Hewlett Packard [USA] und Operating Instructions zu Röhren-Voltmeter TF 2600 der Fa. Marconi [England]).

über die behandelten Verfahren hinaus sind Modulationsschaltungen (Pulscodemodulation, Pulsdauermodulation) bekannt, die die Nachteile der Diodenbrücken vermeiden, jedoch in der Anwendung durch den erheblichen Materialaufwand und die entsprechend dem Abtasttheorem hohe erforderliche Abtastfrequenz beschränkt werden.

Ergänzend sind Anordnungen mit quadratischer Charakteristik, wie beispielsweise Dreheisenmeßwerke, zu erwähnen. Die sehr nachteiligen Bedingungen solcher Systeme bezüglich Frequenz, Kurvenform und Belastung der Eingangsgrößen sind hinlänglich bekannt. Möglichkeiten zur Erzielung dieser oder anderer Charakteristiken liegen in der Verwendung nichtlinearer Systeme am Eingang der Gleichrichterschaltungen. Solche Anordnungen sind aber prinzipiell mit den schon genannten Fehlern bekannter Gleichrichferschaltungen behaftet.

Als Stand der Technik seien im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung noch Anordnungen erwähnt, die zwar andere Größen, wie z. B. Leistung, Energie, Wahrscheinlichkeiten, Korrelations- oder ver-

wandte Größen messen, jedoch durch die Verwendung ein- bzw. mehrkanaliger Diskriminatorschaltungen eine gewisse Beziehung zur vorliegenden Erfindung aufweisen. Solche Anordnungen sind in den deutschen Patentschriften 915 750, 1190 231, 1299 433. österreichische Patentschriften 175 034, 202 384, 203 247, 206 677, 263 400, französische Patentschriften 85 524 1 323 712 und der USA.-Patentschrift 2 779 869 beschrieben. Der Unterschied der erwähnten Anordnungen gegenüber der vorliegenden Erfindung liegt außer in der andersartigen Meßaufgabe und der damit verbundenen anderen Schaltungsstruktur auch darin, daß bei den bekannten Anordnungen die Diskriminatoren mit voneinander unabhängigen Schwellenspannungen gesteuert werden, während in der vorliegenden Erfindung alle Diskriminatoren von derselben Schwellenspannung gesteuert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine · Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung derart auszubilden, daß eine vorgebbare Gleichrichtercharakteristik in einem weiten Frequenzbereich mit hoher Genauigkeit auch bei kleinen Signalspannungen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß entweder das Eingangssignal an zwei ?s Amplitudendiskriminatoren gelegt wird, die gegenphasig von einem Schwellenspannungsgenerator angesteuert werden, oder daß das Eingangssignal an einen Signalinverter gelegt wird, dessen beide zueinander gegenphasige Ausgänge an zwei Amplitudendiskriminatoren gelegt werden, die von einem ScLwellenspannungsgenerator gleichphasig angesteuert werden, wobei die Ausgangsspannung des Schwellenspannungsgenerators hinsichtlich der Frequenz mit dem Eingangssignal inkommensurabel ist und eine Verteilung der Amplitudenhäufigkeiten besitzt, die die Umkehrfunktion der vorgegebenen Gleichrichtercharakteristik ist, und daß die Ausgänge der Amplitudendiskriminatoren an eine logische Verknüpfungsschaltung geführt sind, wobei am Ausgang dieser Verknüpfungsschaltung eine binäre Impulsfolge entsteht, deren arithmetischer Mittelwert gemessen wird.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die Verwendung von Dioden in Einweg- oder Vollwegschaltung sowie Modulationsverfahren und die damit verbündenen Nachteile, gewährleistet in neuer und vorteilhafter Weise eine vorgebbare Gleichrichtercharakteristik in einem weiten Frequenzbereich mit hoher Genauigkeit auch bei kleinen Signalspannungen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in den F i g. 1 bis 5 dargestellt.

F i g. 1 zeigt eine Prinzipschaltung des Ausfühiungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für gleichphasige Signalansteuerung und analoger Meßwertbildung;

Fi g. 2 zeigt eine zu Fig. i äquivalente Schaltung für digitale Meßwertbildung;

F i g. 3 zeigt eine zu Fig. 1 analoge Prinzipschaltung für gegenphasige Signalansteuerung und analöge Meßwertbildung;

F i g. 4 zeigt ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für gegenphasige Signalansteuerung mit einer zu F i g. 2 modifizierten Form der digitalen Meßwertbildung;

F i g. 5 zeigt ein Beispiel der Signalverarbeitung durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.

Die Schaltungsanordnung in F i g. 1 wird von einem Signal s(t) angesteuert, das eine periodische Spannung bzw. Strom oder ein stationärer Zufallsprozeß sein kann. Das Signal s(t) wird den Amplitudendiskriminatoren 1 bzw. 2 zugeleitet, die es mit ihren Schwellenspannungen ζ (t) bzw. -z(i) vergleichen. Die Schwellenspannungen ζ (t) bzw. -z(t) liefert der Schwellenspannungsgenerator 3. Das Entscheidungsschema der AmplitudendisKriminatoren 1 und 2 sowie die Herleitung ihrer Ausgangsimpulsfolgen Z₁ und Z₂ ist in den F i g. 5 a bis 5 c für den Fall einer sägezahnförmigen Schwellenspannung schematisch dargestellt.

Wie F i g. 5 b zeigt, gibt der Amplitudendiskriminator 1 so lange eine Spannung, die der logischen Entscheidung Eins entspricht, ab, solange s(t) größer als die Sägezahnspannung ζ (t) ist, ansonsten entspricht seine Ausgangsspannung der logischen Entscheidung Null.

Die Folge der Spannungswechsel an den Ausgängen der Amplitudendiskriminatoren 1 und 2 bilden je eine binäre Impulsfolge, deren logische Äquivalente mit Z₁ bzw. Z₂ bezeichnet werden. Mathematisch können diese Bedingungen für den Amplitudendiskriminator 1 durch das Ungleichungssystem (1)

Z₁ = 1 s(t) > z(t)
Z₁ = 0 s(r) < z(t)

mit z(t) > 0

für den Amplitudendiskriminator 2 durch das Ungleichungssystem (2)

Z₂ = 1 s(t) > -z{t)
Z₂ = Os(t) < -z(t)

mit -z(i) < 0

angeschrieben werden.

Eine simultane Betrachtung der Ungleichungssysteme (1) und (2) zeigt, daß Z₁ = 1 impliziert Z₂ = 1 und Z₂ = 0 impliziert Z₁ = 0. Die beiden Folgen Z₁ und Z₂ werden in einem logischen Netzwerk 4 beispielsweise in einer Äquivalenzschaltung zu einer resultierenden logischen 0-10-Folge Z verknüpft. Für diese Art der logischen Verknüpfung gilt folgende Wahrheitstabelle:

Z;	0	Z
0	1	1
0	0	0
1	1	0
1	1

Für das in Fig. 5a im Zusammenhang mit einer Sägezahnspannung ζ (t) bzw. -z(t) dargestellte periodische Signal s (t) bedeutet der beschriebene logische Entscheidungs- bzw. Verknüpfungsablauf anschaulich ausgedrückt, daß die Impulslängen z, j bzw. z_2i (i = 1, 2, ...) der FolgenZ₁ bzw. Z₂ den von den Sägezahnspannungen z(t) bzw. -z(t) aus dem Signal 5 (t) herausgeschnittenen Sehnenstücken der Neigung ± A/T s,⁺ bzw. sj~ proportional sind. Wenn das Signal s (t) und die Sägezahnspannung ζ (t) hinsichtlich ihrer Frequenzen inkommensurabel sind, wird sich die Folge Z₁ aus Impulsen zusammensetzen, deren Längen z_u im Mittel allen möglichen Sehnenstücken Sj⁺ der positiven Signalanteile entsprechen, während die

Impulslängen z_2i von Z₂ in analoger Weise allen möglichen Sehnenlängen S₁- der negativen Signalanteile entsprechen. Eine zeitliche Mittelung über Z₁ ergibt daher eine dem arithmetischen Mittelwert der positiven Signalanteile proportionale Größe, eine entsprechende Mittelung über Z₂ die korrespondierende Größe der negativen Signalanteile, jedoch mit positivem Vorzeichen. Nach der äquivalenten Verknüpfung von Z₁ und Z₂ zu Z kann aus Fig. 5d entnommen werden, daß eine zeitliche Mittelung über Z eine dem arithmetischen Mittelwert des Absolutbetrages des Signals s (r) proportionale Größe liefert. Diese ist der Summe der zeitlichen Mittelwerte von Z₁ und Z₂ gleich und entspricht einer Vollweggleichrichtung des Signals s{t). Der zeitliche Mittelwert von Z kann mit einem genügend trägen Drehspulinstrument 8 analog gemessen werden.

Die obige aus der Anschauung gewonnene Herleitung des Meßvorganges soll im folgenden in kurzer Form auch mathematisch gesichert werden. Das geeignete Werkzeug hierfür ist die Wahrscheinlichkeitstheorie. Bezüglich der erforderlichen Grundbegriffe wird auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.

(F i s z, M.: »Wahrscheinlichkeitsrechnung und mathematische Statistik«, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1962; S c h 1 i 11, H.: »Systemtheorie der regellosen Vorgänge«, Springer-Verlag, Berlin 1960).

Die Aufeinanderfolge der logischen 0-1-Entscheidungen in den Folgen Z₁, Z₂ und Z kann als zufällig bzw. pseudozufällig aufgefaßt werden. Berechnet man nach diesem Gesichtspunkt die Wahrscheinlichkeit W(Z = 1) für das Auftreten einer logischen Eins in der Folge Z zu irgendeinem Zeitpunkt, so ist nach Fig. 5b bis 5d die Gültigkeit der Gleichung(4)

W[Z = 1} = W[Z₁ = 1, Z₂ = 1}
+WiZ =0Z =01

_{evident Mit Hüfe der p} . _{5a kann die Gleich (4)} j. j · p_orm (*\

s{t) > -z(t)} + W[s(t) < z(f),

s(t) < -z(rl) (S)

8^ebracht werden, d.e auch als Beziehung (6)

wi7 — 11 - wi ι λ i,\ itw
+ W{s(t) < z{t) < —s(t)}

geschrieben werden kann. Im folgenden sei vorausgesetzt, daß die Größen s(t) und z(t) falls periodisch inkommensurabel, falls zufällig voneinander statistisch unabhängig und ergodisch sind. Bezeichnet man die Verteilungsfunktion der Amplitudenhäufigkeit des Signals s(t) mit p(s) und entnimmt der Fachliteratur (Middleton, D.: »An Introduction to Statistical Communication Theory«, Verlag McGraw-Hill, New York 1960), daß die Amplitudenhäufigkeitsfunktion einer periodischen Sägezahnspannungz(t) bzw. -z(t) mit p(z) = l/A angegeben werden kann, wenn A die Maximalamplitude von z(t) bedeutet, läßt sich die Gleichung (6) auch in der Form (7)

W{Z

AS

= 1}=/ JpM^-d.dr + J f

j J

S = O Z=-S

anschreiben.

Diese läßt sich auf Gleichung (8)

dsdz +

S=-/l Z = S

p(s)~dsdz

W\Z = 1} = 2I —p{s)sds - 2J -rp(s)sas
0 -A

(8)

reduzieren, in der das erste Integral den arithmetischen Mittelwert der positiven Signalanteile M₊ und das zweite Integral den arithmetischen Mittelwert der negativen Signalanteile M _ repräsentiert. Damit kann Gleichung (8) auf die endgültige Form (9)

W\Z = 1} = HM₊ - M_) = 2 - J p\ IS

gebracht werden. Aus den Voraussetzungen für die Herleitung der Gleichung (9) kann entnommen werden, daß das Meßverfahren sowohl bei periodischen als auch bei zufälligen Signalen anwendbar ist. Der Schwellenspannungsgenerator 3 kann daher im obigen Fall durch einen stochastischen Generator ersetzt werden, dessen Ausgangsspannung die gleiche Amplitudenhäufigkeitsverteilung wie eine Sägezahnspannung besitzt Weiter kann aus der Gleichung (7) gefolgert werden, daß sich eine bestimmte Verteilung der Amplitudenhäufigkeiten der Schwellenspannung z(t) auf das Signal s(i) wie eine Funktionaltransformation auswirkt, die der Umkehrfunktion der Amplitudenhäufigkeitsverteilungsranktion entspricht. Damit kann die Charakteristik bei dem oben beschriebenen Vorgang der Gleichrichtung vorgegeben werden. Weiter ist aus den getroffenen mathematischen Voraus-Setzungen klar, daß eine gegenphasige Signalansteuerung der Amplitudendiskriminatoren einer gegenphasigen Schwel'enspannungsansteuerung äqui-

valent ist. Wie F i g. 3 zeigt, kann einfe solche gegenphasige Signalansteuerung durch einen vorgeschalteten Signalinverter 6 erreicht werden. Ergänzend sollen noch die Fig. 2 bis 4 erläutert werden, die eine digitale Messung des arithmetischen Mittelwertes der Folge Z

ermöglichen. Dazu ist es erforderlich, die resultierende 0-1-Folge Z mit einer Taktfrequenz f_T getastet zu erzeugen. Den Takt liefert ein Taktgenerator5. Es ist dabei irrelevant, ob die Amplitudendiskriminatoren getastet werden und getaktete Folgen Z₁ und Z₂

liefern (F i g. 2), oder ob die Ausgangsfolge Z durch ein Abtastnetzwerk 7 mit der Abtastfrequenz f_T getastet wird (F i g. 4).

In beiden Fällen entsteht am Ausgang der Schaltungsanordnung eine getaktete Folge von Impulsen,

deren relative Impulshäufigkeiten mittels eines elek-

_v tronischen Zählers 9 gemessen werden können. Bei dieser digitalen Form der Messung wird die getaktete Ausgangsfolge Z an den Signaleingang des Zählers 9 geführt und sein Normalfrequenzeingang mit dem

Taktgenerator 5 verbunden.

Abschließend soll darauf hingewiesen werden, daß neben Äquiva'enzschaltungen auch Antivalenz-, Konjunktions- oder Disjunktionsschaltungen als logische

Netzwerke 4 verwendet werden können. Mittels der jeweils korrespondierenden Wahrheitstabelle kann nachgewiesen werden, daß antivalent verknüpfte Folgen Z₁ und Z₂ eine resultierende Folge Z erzeugen, die als Negation zu Z interpretiert werden kann, wenn Z die Ausgangsfolge der Äquivalenzschaltung ist. Konjunktiv verknüpfte Folgen Z₁ und Z₂ ergeben eine resultierende Folge Z, deren zeitlicher Mittelwert dem arithmetischen Mittelwert der positiven Signalanteile proportional ist. Analog liefert eine disjunktive Verknüpfung der Folgen Z₁ und Z₂ eine Folge Z, deren

zeitlicher Mittelwert dem arithmetischen Mittelwert der negativen Signalanteile proportional ist..Im Falle einer Sägezahnspannung als Schwellenspannung ζ (t) entsprechen äquivalente und antivalente Verknüpfungen einer VollweggleichriclUung, konjunktive und disjunktive Verknüpfungen einer Einweggleichrichtung des Signals s(t). Ist das logische Netzwerk 4 als Subtrahierwerk ausgeführt, kann die Differenz von M₊ und M_ gemessen und so die Unsymmetrie des Signals auch hinsichtlich seiner Verteilung der Amplitudenhäufigkeiten bestimmt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 648/428

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung mit vorgebbarer Gleichrichtercharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß entweder das Eingangssignal an zwei Amplitudendiskriminatoren (1, 2) gelegt wird, die gegenphasig von einem Schwellenspannungsgenerator (3) angesteuert werden, oder daß das Eingangssignal an einen Signalinverter (6) gelegt wird, dessen beide zueinander gegenphasige Ausgänge an zwei Amplitudendiskriminatoren (1, 2) gelegt werden, die von einem Schweilenspannungsgenerator (3') gleichphasig angesteuert werden, wobei die Ausgangsspannung des Schwellenspannungsgenerators hinsichtlich der Frequenz mit dem Eingangssignal inkommensurabel ist und eine Verteilung der Amplitudenhäufigkeiten besitzt, die die Umkehrfunktion der vorgegebenen Gleichrichtercharakteristik ist, und daß die Ausgänge der Amplitudendiskriminatoren an eine logische Verknüpfungsschaltung (4) geführt sind, wobei am Ausgang dieser Verknüpfungsschaltung eine binäre Impulsfolge entsteht, deren arithmetischer Mittelwert gemessen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweilenspannungsgenerator (3,3') eine Ausgangsspannung mit gleichverteilter Amplitudenhäufigkeit liefert, wodurch eine lineare Gleichrichtercharakteristik erreicht wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweilenspannungsgenerator (3, 3') ein stochastischer Generator ist, wodurch die Inkommensurabilität für alle Frequenzen des Eingangssignals erreicht wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Amplitudendiskriminatoren (1,2) von einem Taktgenerator (5) getastet werden, wodurch der arithmetische Mittelwert der binären Ausgangsfolge auch digital meßbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre Impulsfolge am Ausgang der logischen Verknüpfungsschaltung (4) über ein Abtastnetzwerk (7) geführt wird, das von einem Taktgenerator (5) gesteuert wird, wodurch der arithmetische Mittelwert der binären Ausgangsfolge gleichfalls auch digital meßbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Verknüpfungsschaltung (4) eine Äquivalenz- oder Antivalenzschaltung ist, wodurch der arithmetische Mittelwert vollweggleichgerichteter Signale meßbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Verknüpfungsschaltung (4) eine Konjunktions- oder Disjunktionsschaltung ist, wodurch der arithmetische Mittelwert einweggleichgerichteter Signale meßbar

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