DE2137281B2 - Effektivwertmesser - Google Patents

Description

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Rückkopplungswiderstand Rl und der Rückkoppweitgehender Vermeidung der vorgenannten Nachteile lungsdiodeDl ist ein Eingangs widerstand R 3 eines einen Effektivwertmesser zu schaffen, der bei geräte- Integrierverstärkers A 2 angeschlossen, der zusammen technisch geringem Aufwand eine bessere Dynamik mit seinem Widerstand R4 und einem Integrationsauf weist. 5 kondensator Cl als Mittelwertbildner wirkt. Der

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungs- Ausgang des Integrierverstärkers Al wird über einen gemäß die Entladung des Mittelwertbildners über invertierenden, mit Rückkopplungs- und Eingangseine Konstantstromquelle erfolgt, wenn und solange widerständen R6 und R7 beschalteten Verstärker A3 der gemessene Mittelwert größer ist als der dem äugen- einem Summier widerstand R 5 des Verstärkers A1 blicklichen Eingangssignal entsprechende Wert, wobei io zugeführt. Insoweit entspricht die Schaltung dem die Amplitude des Konstantstromes der Spannung Stand der Technik.

des Mittelwertbildners beim Einsetzen der Entladung Mit dem Ausgang der idealisierten Diode ist über proportional ist. Durch eine derartige Entladung des den Widerstand RS ein Komparator A4 verbunden. Mittelwertbildners wird erreicht, daß die Spannung Der Ausgang des Komparators A4 wird über eine linear abfällt und der gesamte Entladevorgang —■ 15 Diode D 3 der Steuerelektrode eines Feldeffekttranunabhängig von der Höhe der Spannung im Augen- sistors Tl zugeführt. Der Transistor Tl ist mit einem blick des Umschaltens — stets nach einer konstanten Ausgang des Verstärkers Al und einem Haltekon-Zeit beendet ist. Macht man die Entladezeit gleich densator Cl verbunden. Der Ausgang des Integrierder Entladezeitkonstanten 2τ der bekannten Schal- Verstärkers Al ist mit der Steuerelektrode des Feldtungen, so verläuft der Entladevorgang nunmehr nach ao effekttransistors über einen Widerstand R9 verbunden. Alt einer Tangente an die (nicht mehr vorhandene) Der Haltekondensator Cl ist an den nicht invertierene-Funktion, so daß sich bei wenig schwankenden den Eingang eines als Spannungsfolger geschalteten Signalen keine nennenswerten Unterschiede zwischen Verstärkers A5 angeschlossen. Der Ausgang dieses beiden Systemen zeigen. Verstärkers ist mit dem Widerstand R4 des Mittel-

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der 25 wertbildners verbunden.

Erfindung wird das Quadrierglied durch eine Ein- Die Schaltung funktioniert folgendermaßen: Die

richtung mit zwei Multiplikatoren und einem Opera- Eingangswechselspannung gelangt über den Summier-

tionsverstärker gebildet. Hierbei wird das Eingangs- widerstand Rl auf den als Einweggleichrichter be-

signal dem einen Eingang eines ersten Multiplizierers schalteten Verstärker A1, der in diesem Beispiel die

direkt und dem anderen Eingang über den Opera- 30 quadratische Kennlinie nur mit einer einfach ge-

tionsverstärker indirekt zugeführt. Ein zweiter Multi- knickten Kennlinie nachbildet. Es versteht sich, daß

plizierer liegt im Gegenkopplungszweig des Opera- statt dessen die Kennlinie des Quadriergliedes auch

tionsverstärkers. Dessen Verstärkung und damit das besser an die Parabelform angenähert werden kann,

Signal am Ausgang des ersten Multiplizierers ist einem z. B. dadurch, daß an Stelle des Einweggleichrichters

Signal am Eingang des zweiten Multiplizierers umge- 35 eine Quadrierschaltung nach F i g. 2 verwendet

kehrt proportional. Dieser freie Eingang dient also wird. Von der idealisierten Diode gelangt das gleich-

als Dividiereingang und wird an den Ausgang des gerichtete Signal auf den Integrierverstärker Al und

Mittelwertbildners gelegt. lädt den Integrierkondensator Cl auf. Während dieses

Eine derartige Schaltungsanordnung verbessert den Aufladevorganges ist der Abtasttransistor Tl leitend,

erfindungsgemäßen Effektiv Wertmesser, weil dem als 40 so daß die Spannung am Haltekondensator Cl im

Quadrierglied dienenden Multiplizierer das bereits wesentlichen trägheitslos dem Augenblickswert der

durch den Mittelwert dividierte Signal zugeführt und Spannung am Kondensator Cl folgt. Der Wider-

damit der zu verarbeitende Dynamikbereich herab- stand R4 wirkt also, wie wenn er direkt parallel zum

gesetzt wird; sie ist allgemein vorteilhaft in Effektiv- Kondensator Cl liegen würde, d. h., er trägt zum

Wertmessern verwendbar. 45 gewünschten e-funktionsförmigen Verlauf der Auf-

Der Mittelwertbildner kann auch durch eine passive ladung bei. Die am Ausgang des Integrierverstär-

i?C-Kombination realisiert werden. kers^42 entstehende Spannung ist über den Inver-

Im folgenden werden an Hand der Zeichnungen tierverstärker A3 auf den Summiereingang zur

bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie gleitenden Verschiebung der Knickkennlinie der

deren Funktion erläutert. Es stellt dar 50 idealisierten Diode zurückgeführt. Diese Rückführung

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung zur bewirkt in benannter Weise eine Division des qua-

Effektivwertmessung, drierten Signals durch die Ausgangsgleichspannung

F i g. 2 eine andere Ausführungsform eines erfin- des Integrierverstärkers,

dungsgemäßen Effektivwertmessers, Sobald die Diode Dl nichtleitend wird und damit

Fig. 3 a schematisch ein zu messendes Spannungs- 55 der Punkt b negativer wird als die an RIO eingestellte

signal, wie es z.B. dem Geräusch von Schreibma- Referenzspannung, schaltet der Komparator^4 um

schinenanschlägen entspricht, und sperrt den Feldeffekttransistor Tl, so daß der

Fig. 3 b in unterbrochenen Linien die verschliffene Haltekondensator Cl die im Abschaltaugenblick am Effektivwertanzeige bekannter Effektivwertmesser so- Integrator vorhandene Ausgangsspannung speichert, wie in durchgehenden Linien die verbesserte Anzeige, 60 Der durch die Spannung am Kondensator Cl und wie sie mit der Vorrichtung nach der Erfindung erhalten den Wert des Rückkopplungs Widerstandes R 4 bewird, stimmte, konstante Entladestrom bewirkt einen linea-

Das Eingangssignal gelangt über einen Summier- ren Abfall der Spannung am Integrationskondensawiderstandi?l auf einen mit Dioden Dl und Dl tor Cl, bis durch eine positive Spannung am Ausgang und einem Rückkopplungswiderstand Rl beschalteten 65 der idealisierten Diode der Feldeffekttransistor wieder Operationsverstärker A1, wodurch ein Einweggleich- durchschaltet und den neuen Momentanwert der richter mit idealisierter Diode gebildet wird. Am Spannung am Kondensator Cl auf den Haltekon-Ausgang des Gleichrichters, d. h. zwischen dem densator Cl überträgt.

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Es wird also jeder schaltungstechnisch verarbeitbare Schaltung dem einen Eingang der Multiplizierein-

Amplitudenbereich innerhalb einer konstanten Zeit richtung Ml das bereits durch das Ausgangssignal

durchlaufen, während bei den herkömmlichen Vor- des Mittelwertbildners dividierte Signal entsprechend

richtungen zur Effektivwertmessung die Entladung nur geringerer Amplitiidenvarianz zugeführt. Der Mehr-

mit ungefähr 4,3 db pro Zeitkonstante erfolgte. Die 5 aufwand einer Multipliziereinrichtung bringt daher

Entladezeit beträgt z.B. 2τ, während der Auflade- den Vorteil, daß der von der Multipliziereinrichtung-Ml

Vorgang bei rechteckförmigen Eingangsimpulsen wei- im eingeschwungenen Zustand zu verarbeitende Span-

terhin der Funktion nungsbereich beträchtlich eingeengt wird. Dies führt

in ni/7 ^{zu emer} beträchtlichen Verbesserung des quadrati-

v ~^{e τ} ίο sehen Verhaltens des Effektivwertmessers,

proportional ist. In F i g. 3 a ist der Verlauf eines typischen Meß-

Gemäß dem Blockdiagramm nach F i g. 2 kann signals samt dessen Hüllkurve dargestellt. Es kann die idealisierte Diode zwischen den Knotenpunk- sich beispielsweise um einen Spannungsverlauf handeln, ten α, b, c durch eine mit zwei Multiplikationsein- der von der Schalldruckentwicklung von Schreibrichtungen aufgebaute Schaltung ersetzt werden. 15 maschinenanschlägen herrührt.

Diese Quadriereinrichtung weist im wesentlichen die Die unterbrochenen Linien in Fig. 3 b zeigen, wie als eigentliches Quadrierglied dienende Multiplizier- übliche Effektivwertmesser sowohl der Anstiegsflanke einrichtung M1 auf, der das Eingangssignal einmal des Meßsignals als auch dessen abfallender Flanke direkt und zum anderen über den als Glied mit Steuer- e-funktionsförmig folgen, wobei die Abfallzeitkonbarer Verstärkung dienenden Operationsverstärker A1 20 stante größer ist als die des Anstiegs. Die Figur zugeführt wird. Der Verstärkungsgrad wird durch macht deutlich, daß bei dem speziellen angenommenen die zweite Multipliziereinrichtung Ml im Gegen- Meßsignal der zweite Schreibmaschinenanschlag vollkopplungskreis des Operationsverstärkers im Zusam- kommen von der abklingenden e-Funktion überdeckt menwirken mit den Widerständen R1 und Rl be- wird, so daß der entsprechende Effektivwert nicht stimmt und kann durch Anlegen einer Gleichspannung 25 angezeigt wird. Demgegenüber geht aus der ausgean den freien Eingang von Ml gesteuert werden. zogenen Kurve in F i g. 3 b hervor, daß gemäß der Zwischen dieser Gleichspannung und dem Verstär- Erfindung die Antwortfunktion auf die abfallende kungsgrad und damit der Spannung am Ausgang Flanke des Meßsignals linear bis auf Null in einem von Ml besteht ein reziproker Zusammenhang. Zeitintervall von zwei Zeitkonstanten abfällt und dabei

Bei dieser Schaltung ergibt sich vorteilhafterweise 30 auch der zweite Schreibmaschinenanschlag in die

am Ausgang der Multiph'ziereinrichtung Ml eine Effektivwertmessung richtig eingeht. Dadurch wird

geringere Dynamik, als sie bei den üblichen Multi- eine entscheidende Verbesserung des dynamischen

plikationsstufen auftritt, bei welchen dem Multi- Verhaltens von Effektivwertmessern erreicht, die sich

plikator direkt beide Multipliziereingänge zugeführt insbesondere bei kurzfristigen Signalen hoher Ampli-

werden. Demgegenüber wird bei der angegebenen 35 tude günstig auswirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Patentansprüche- drierschaltung, einem nachgeschalteten Mittelwertbildner mit e-funktionsförmigem Einschwingverhalten

1. Vorrichtung zur näherungsweisen Messung _und einer Rückführung des Mittelwertes zur Quades zeitlichen Verlaufs des Effektivwertes eines drierschaltung, die eine Division durch das Aus-Eingangssignals mit einer Quadrierschaltung, einem ₅ gangssignal des Mittelwertbildners bewirkt,
nachgeschalteten Mittelwertbildner mit e-funk- Aus der deutschen Auslegeschrift 1 935 544 ist ein tionsförmigem Einschwingverhalten und einer derartiger Effektivwertmesser bekannt, bei welchem Rückführung des Mittelwertes zur Quadrier- das Eingangssignal den beiden Eingängen eines schaltung, die eine Division durch das Ausgangs- Multiplizierers zugeführt wird, welcher mit einem signal des Mittelwertbildners bewirkt, dadurch ₁₀ Integrationsverstärker verbunden ist, dessen Ausgekennzeichnet, daß die Entladung des gangssignal über eine proportional wirkende Rück-Mittelwertbildners (R3, R4, Cl, Al) über eine führung mit dem Multiplizierer rückgekoppelt ist. Konstantstromquelle (Cl, ,45, R4) erfolgt, wenn Durch die direkte Zufuhr des Eingangssignals an die und solange der gemessene Mittelwert größer ist miteinander verbundenen Eingänge des Multiplizierers als der dem augenblicklichen Eingangssignal ent- ₁₅ j_st der Amplitudenbereich der von der Schaltung sprechende Wert, wobei die Amplitude des Kon- bearbeitbaren Signale auf den halben, im logarithstantstromes der Spannung des Mittelwertbildners mischen Maß gemessenen Dynamikbereich der Ausbeim Einsetzen der Entladung proportional ist. gangsschaltung des Multiplizierers begrenzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Ein Effektivwertmesser, der speziell mit gestaffelt kennzeichnet, daß die Quadrierschaltung durch ₂o vorgespannten Dioden und· gleitender Knickspannung eine Einrichtung gebildet ist, die zwei miteinander arbeitet, ist in einem Aufsatz von E. Sonntag, verbundene Multipliziereingänge (a!) und einen »Hochfrequenztechnik und Elektroakustik«, Bd. 70, Dividiereingang (c') atifweist. 1961, Heft 3, S. 75 bis 79, beschrieben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Weiterhin ist es bei derartigen Schaltungen bekannt, kennzeichnet, daß das Eingangssignal dem einen 25 die Knickkennlinie mittels idealisierter Dioden zu Eingang einer ersten Multipliziereinrichtung (Ml) realisieren, wozu Verstärkerelemente benötigt werden, direkt und dem anderen Eingang über einen Auch versteht es sich, daß an Stelle eines Quadrier-Operationsverstärker (A 1) zugeführt wird, in des- gliedes ein Multiplizierer verwendet werden kann, sen Rückkopplungszweig eine zweite Multiplizier- dessen Eingänge miteinander verbunden sind bzw. einrichtung (Ml) liegt, deren freier Eingang den ₃₀ mit gleichen Signalen beaufschlagt werden.
Dividiereingang (c¹) bildet und mit dem Ausgang Aus der USA.-Patentschrift 2 839 244 ist eine Multides Mittelwertbildners verbunden ist. pliziervorrichtung mit zwei Multipliziereingängen und

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der einem Dividiereingang bekannt, die gemäß der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß deutschen Auslegeschrift 1 935 544 ebenfalls in einem der Mittelwertbildner einen Integrierverstärker (R 3, 35 Effektivwertmesser der angegebenen Art verwendet Cl, Al) und einen der Entladung dienenden werden kann.

Widerstand (R4) aufweist. Ebenso wie das Quadrierglied aus passiven oder

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der aktiven Elementen aufgebaut sein kann, wird auch Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbildner entweder aus passiven Elemenzwischen dem Ausgang des Integrierverstärkers 40 ten, beispielsweise einer i?C-Kombination, oder aktiven und dem Gegenkopplungswiderstand (R4) eine Elementen aufgebaut.

Abtast- und Haltevorrichtung (R9, Cl, Tl, A 5, Schließlich ist für spezielle, häufig verwendete

D 3) angebracht ist, am Ausgang der Quadrier- Schaltungen der eingangs genannten Gattung aus einer

schaltung ein Eingang eines Komparators (RS, Doktorarbeit von Pfeiffer über ein »Lautstärke-

A 4) angeschlossen ist und dessen zweiter Eingang 45 meßgerät für breitbandige und impulshaltige Schalle«,

auf dem eingestellten Referenzpotential liegt und TH Stuttgart, 1966, bekannt, daß bei einem recht-

dessen Ausgang die Abtastvorrichtung derart eckförmigen Eingangsimpuls die ansteigende Flanke

steuert, daß der Abtastschalter so lange geschlossen der Antwortfunktion eines Gleichrichters mit ideal

ist, wie die Ausgangsspannung der Quadrier- quadratischer Kennlinie der Funktion

schaltung größer ist als die Referenzspannung 50

und geöffnet wird, wenn diese kleiner wird und in ]/1 — e~^//T ,

diesem Fall die Ausgangsspannung der Halte- ,.,„„,

schaltung (C2) über den Rückkopplungswiderstand ^die abfallende Flanke dagegen der Funktion

eine Konstantstromentladung des Integrierkon- e~'/^2T

densators (Cl) bewirkt. 55

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der folgt. Der Ladevorgang spielt sich also wesentlich vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- schneller ab als der Entladevorgang, und dies führt net, daß die Konstantstromquelle derart (Cl, AZ, dazu, daß — bedingt durch die im Vergleich zum Auf- R4) dimensioniert ist, daß die Steigung der ab- ladevorgang große Entladezeit — in der Detektorfallenden Flanke der Detektor-Antwortfunktion 60 anzeige kleine Eingangssignale durch unmittelbar auf ein Rechtecksignal gleich der Steigung der vorhergehende große Signale verdeckt werden. Dieser sich ohne Konstantstromentladung ergebenden Nachteil kann nicht einfach dadurch beseitigt werden, e-funktionsförmigen Entladung ist. daß die Zeitkonstante τ des Detektors hinreichend

klein bemessen wird, da bei Signalen mit konstantem

65 Effektivwert aber stark schwankender Amplitude

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nähe- (z. B. Rauschen) nicht wie gewünscht eine konstante,

rungsweisen Messung des zeitlichen Verlaufs des sondern eine ebenfalls schwankende Größe am Ausgang

Effektivwertes eines Eingangssignals mit einer Qua- erscheint.