DE2137281C - Effektivwertmesser - Google Patents

Description

Ebenso wie das Quadrierglied aus passiven oder aktiven Elementen aufgebaut sein kann, wird auch der Mittelwertbildner entweder aus passiven Elementen, beispielsweise einer ÄC-Kombination, oder aktiven Elementen aufgebaut.

Schließlich ist für spezielle, häufig verwendete Schaltungen der eingangs genannten Gattung aus einer Doktorarbeit von Pfeiffer über ein »Lautstärkemeßgeräl für breitbandige und impulshaltige Schalle«, TH Stuttgart, 1966, bekannt, daß bei einem rechteckförmigen Eingangsimpuls die ansteigende Flanke der Antwortfunktion eines Gleichrichters mit ideal quadratischer Kennlinie der Funktion

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur näherungsweisen Messung des zeitlichen Verlaufs des Effektivwertes eines Eingangssignals mit einer Quay 1 - e-'' ,
die abfallende Hauke dagegen der Funktion

folgt. Der Ladevorgang spielt sich also wesentlich schneller ab als der Entladevorgang, und dies führt dazu, daß — bedingt durch die im Vergleich zum Aufladcvorgang große Entladezeit — in der Detektoranzeige kleine Eingangssignale durch unmittelbar vorhergehende große Signale verdeckt werden. Dieser Nachteil kann nicht einfach dadurch beseitigt werden, daß die Zeitkonstante τ des Detektors hinreichend klein bemessen wird, da bei Signalen mit konstantem Effektivwert aber stark schwankender Amplitude (z. B. Rauschen) nicht wie gewünscht eine konstante, sondern eine ebeiifalls schwankende Größe am Ausgang erscheint.

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v ^lle!f ^die,^Aufgabe zugrunde, unter Rückkopplungswiderstand Rl und der Rückkopp-Γ ^{S der vor}8cnanntcn Nachteile lungsdiodeDI ist ein Eingangsvviderstand Ri eines !•dt Ti ^{ZU schaffei}'. Ar bei geräte- Integrierverslärkers Al angeschlossen, der zusammen aufweist ^{m Aufwand eine bessere} Dynamik mit seinem Widerstand A4 und einem Integrations_n·.',,, uii, ⁵ kondensator Cl als Mittelwertbildner wirkt. Der Jn-^HV ρ η > ^dadurch gelöst, daß eriindungs- Ausgang des !ntegrierverstärkers A2 wird über einen gemäß die Entladung des Mittelwertbildners über invertierenden, mit Rückkopplung*- und Eingangseme Konstamstromquelle erfolgt, wenn und solange widerständen Λ6 und Rl beschalteten Verstärker A3 der gemessene Mittelwert größer ist als der dem äugen- einem Summierwiderstand Λ5 des Verstärkers A I öiickhcnen tingangssignal entsprechende Wert, wobei io zugeführt. Insoweit entspricht die Schaltung dem die Amp itude des Konstantstromes der Spannung Stand der Technik.

des Mittelwertbildners beim Einsetzen der Entladung Mit dem Ausgang der idealisierten Diode ist über inn hmJ · ^{eme dcrartI}'8^e Entladung des den Widerstand RS ein Komparator A4 verbunden. Mmelwertb,ldners wird erreicht, daß die Spannung Der Ausgang des Komparator A4 wird über eine linear aotallt und der gesamte Entladevorgang — i₅ Diode Z)3 der Steuerelektrode eines Feldeffekttranunatmangig von der Hohe der Spannung im Augen- sistors 7Ί zugeführt. Der Transistor Tl ist mit einem tuicK aes umsctiaUens stets nach einer konstanten Ausgang des Verstärkers A 2 und einem Haltekon- ien Deendet ist. Macht man die Entladezeit gleich densator Cl verbunden. Der Ausgang des Integrierter tntladezeitkonstanlen 2τ der bekannten Schal- Verstärkers A 2 ist mit der Steuerelektrode des FeId-.'ingen, so veriauit der Entladevorgang nunmehr nach 20 effekttransistors über einen Widerstand Λ9 verbunden. AH einer langente an die (nicht mehr vorhandene) Der Haltekondensator Cl ist an den nicht invertierene-hunktion, so daß sich bei wenig schwankenden den Eingang eines als Spannungsfolger geschalteten Signalen keine nennenswerten Unterschiede zwischen Verstärkers A 5 angeschlossen. Der Ausgang dieses beiden Systemen «igen. Verstärkers ist mit dem Widerstand Λ 4 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 Opeia- Eingangswechselspannung gelangt über den Summiertionsyerstarker gebildet. Hierbei wird das Eingangs- widerstand Λ1 auf den als Einweggleichrichter besignal dem einen Eingang eines ersten Multiplizierers schalteten Verstärker A 1, der in diesem Beispiel die direkt und dem anderen Eingang über den Opera- 30 quadratische Kennlinie nur mit einer einfach gelionsverstarker indirekt zugeführt. Ein zweiler Multi- knickten Kennlinie nachbildet. Es versteht sich, daß plizierer liegt im Gegenkopplungszweig des Opera- statt dessen die Kennlinie des Quadriergliedes auch tionsverstarkcrs. Dessen Verstärkung und damit das besser an die Parabelform angenähert werden kann, bigna am Ausgang des ersten Multiplizierers ist einem z. B. dadurch, daß an Stelle des Hinweggleichrichiers Signal am Eingang des zweiten Multiplizierers umge- 35 eine Quadrierschaltung nach I- i g. 2 verwendet kehrt proportional. Dieser freie Eingang dient also wird. Von der idealisierten Diode gelangt das gleichals Uividiereingang und wird an den Ausgang des gerichtete Signal auf den Integrierverstärker Al und M.tte.wertbildners gelegt. _{Iädt den} Integrierkondensator Cl auf. Während dieses hine derartige Schaltungsanordnung verbessert den Aufladevorganges ist der Abtasttransistor Tl leitend, erlindungsgemaßen Effektivwertmesser, weil dem als 40 so daß die Spannung am Hallekondensator C2 im Quadrierglied dienenden Multiplizierer das bereits wesentlichen trägheitslos dem Augenblickswert dadurch den Mittelwert dividierte Signal zugeführt und Spannung am Kondensator Cl folgt. Der Widerdamit der zu verarbeitende Dynamikbereich herab- stand «4 wirkt also, wie wenn er direkt parallel zum gesetzt wird; sie is: allgemein vorteilhaft in Effektiv- Kondensator Cl liegen würde, d.h., er trägt zum Wertmessern verwendbar. ₄₅ gewünschten e-funktionsförmigen Verlauf der Auf-Dcr Mittelwertbildner kann auch durch eine passive ladung bei. Die am Ausgang des Inlegrierverstär- ^R , Kombination realisiert werden. kers Al entstehende Spannung ist über den Inver-Im folgenden werden an Hand der Zeichnungen tierverstärker A3 auf den Summiereingang zur bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sowie gleitenden Verschiebung der Knickkennlinie der deren Funktion erläutert. Es stellt dar 50 idealisierten Diode zurückgeführt. Diese Rückführung F 1 g. I eine erfindungsgemäße Schaltung zur bewirkt in benannter Weise eine Division des qua-EfTektivwertmessung, drierten Signals durch die Ausgangsgleichspannung

r- 1 g. 2 eine andere Ausführungsform eines erfin- des Integrierverstärkers.

dungsgemäßen Effeklivwertmesscrs, Sobald die Diode Dl nichtleitend wird und damit Fig. 3a schematisch ein zu messendes Spannungs- 55 der Punkt /> negativer wird als die an Λ10 eingestellte signal, wie es z.B. dem Geräusch von Schreibma- Referenzspannung, schaltet der Komparator A4 um schmenanschlägen entspricht, _untl _sperrt den Feldeffekttransistor Tl, so daß der Fig. 3b in unterbrochenen Linien die verschüffene Haltekondensator Cl die im Abschaltaugenblick am Effeküvwertanzeige bekannter EfTektivwerlmesser so- Integrator vorhandene Ausgangsspannung speichert, wie in durchgehenden Linien die verbesserte Anzeige, 60 Der durch die Spannung am Kondensator C2 und wie sie mit der Vorrichtung nach der Erfindung erhalten den Wert des Rückkopplungswiderstandes Λ4 be- ^w"J!r' . stimmte, konstante Entladestrom bewirkt einen linea-Das Eingangssignal gelangt über einen Summier- ren Abfall der Spannung am Inlegrationskondensawiderstandfll auf einen mit Dioden Dl und Dl tor Cl, bis durch eine positive Spannung am Ausgang und einem Rückkoppliingswiderstand R2 beschaiteten 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 C2 überträet.

Es wird also jeder schaltungslcchnisch verarbeitbarc Amplitudenbereich innerhalb einer konstanten Zeil durchlaufen, während bei den herkömmlichen Vorrichtungen zur Effektivwertmessung die Entladung nur mil ungefähr 4,3 db pro Zeilkonstante erfolgte. Die Entladezeit beträgt z. B. 2τ, während der Aufladevorgang bei rechlcckförmigen Eingangsimpulsen weiterhin der Funktion

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proportional ist.

Gemäß dem Blockdiagramm nach F i g. 2 kann die idealisierte Diode zwischen den Knotenpunkten a, h, c durch eine mit zwei Multiplikationseinrichtungen aufgebaute Schaltung ersetzt werden. Diese Quadriereinrichtung weist im wesentlichen die als eigentliches Quadrierglied dienende Mullipliziercinrichtung A/1 auf, der das Eingangssignal einmal direkt und zum anderen über den als Glied mit steuerbarer Verstärkung dienenden Operationsverstärker Ai zugeführt wird. Der Verstärkungsgrad wird durch die zweite Multipliziereinrichtung A/2 im Gegenkopplungskriis des Operationsverstärkers im Zusammenwirken mit den Widerständen Al und Rl bestimmt und kann durch Anlegen einer Gleichspannung »5 an den freien Eingang von A/2 gestcueit werden. Zwischen dieser Gleichspannung und dem Verstärkungsgrad und damit der Spannung am Ausgang von M\ besteht ein reziproker Zusammenhang.

Bei dieser Schaltung ergibt sich vorteilhafterweise am Ausgang der Multiplizicreinrichtung MX eine geringere Dynamik, als sie bei den üblichen Multiplikationsstufen auftritt, bei welchen dem Multiplikator direkt beide Multipliziereingänge zugeführt werden. Demgegenüber wird bei der angegebenen Schaltung dem einen Eingang der Multiplizierein richtung Ml das bereits durch das Alisgangssigna des Mittelwertbildners dividierte Signal entsprechen« geringerer Amplitudenvarianz zugeführt. Der Mehr aufwand einer Multiplizicreinrichtung bringt da he den Vorteil, daß der von der Multipliziereinrichtung/V/ im eingeschwungenen Zustand zu verarbeitende Span η u ngs be reich beträchtlich eingeengt wird. Dies führ zu einer beträchtlichen Verbesserung des quadrati sehen Verhaltens des Effektivwertmessers.

In Fig. 3a ist der Verlauf eines typischen Meß signals samt dessen Hülikurve dargestellt. Es kam sich beispielsweise um einen Spannungsverlauf handeln der von der Schalldruckentwicklung von Schreibmaschincnanschlägen herrührt.

Die unterbrochenen Linien in F i g. 3 b zeigen, wie übliche Effektivwertmesser sowohl der Anstiegsflanke des Meßsignals als auch dessen abfallender Flanke e-funktionsförmig folgen, wobei die Abfallzeilkonslante größer ist als die des Anstiegs. Die Figui macht deutlich, daß bei dem speziellen angenommenen Meßsignal der zweite Schreibmaschinenanschlag vollkommen von der abklingenden e-Funktion überdeckt wird, so daß der entsprechende Effektivwert nicht angezeigt wird. Demgegenüber gehl aus der ausgezogenen Kurve in Fig. 3b hervor, daß gemäß der Erfindung die Antwortfunktion auf die abfallende Flanke des Meßsignals linear bis auf Null in einem Zeitintervall von zwei Zeitkonstanten abfällt und dabei auch der zweite Schreibmaschinenanschlag in die Effektivwertmessung richtig eingehl. Dadurch wird eine entscheidende Verbesserung des dynamischen Verhaltens von Effektivwertmessern erreicht, die sich insbesondere bei kurzfristigen Signalen hoher Amplitude günstig auswirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur näherungsweisen Messung des zeitlichen Verlaufs des Effektivwertes eines Eingangssignals mit einer Quadrierschaltung, einem nachgeschalteten Mittelwertbildner mit e-funktionsförmigem Einschwingverhalten und einer Rückführung des Mittelwertes zur Quadrierschaltung, dip eine Division durch das Ausgangssignal des Mittelwertbildners bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung des Mitlelwertbiidners(/?3, Λ4, Cl, Al) über eine Konstantstromquelle (C2, /45, RA) erfolgt, wenn und solange der gemessene Mittelwert größer ist als der dem augenblicklichen Eingangssignal entsprechende Wert, woher die Amplitude des Konstantstromes der Spannung des Mittelwertbildners beim Einsetzen der Entladung proportional ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadrierschaltung durch eine Einrichtung gebildet ist, die zwei miteinander verbundene Multipli/iereingänge (α') und einen Dividiereingang (<·') aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal dem einen Eingang einer ersten Miiltipliziereinrichtung (Λ/2) direkt und dem anderen Eingang über einen Operationsverstärker (,I I) zugeführt wird, in dessen Rückkopplungszvveig eine zweite Multipliziereinrichtung (Λ/I) liegt, deren freier Eingang den Dividiereingang (<·') bildet und mit dem Ausgang des Mittelwerthildncrs verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbildner einen lnlcgrierverstärker(V?3, Cl, Al) und einen der Entladung dienenden Widerstand (R4) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Integrierverstärkers und dem Gegenkopplungswiderstand (Λ4) eine Abtast- und Haltevorrichtung (Ä9, C2, 7Ί, AS, /)3) angebracht ist, am Ausgang der Quadrierschallung ein Eingang eines Komparator (R8, /14) angeschlossen ist und dessen zweiler Eingang auf dem eingestellten Referenzpotential liegt und dessen Ausgang die Abtastvorrichtung derart steuert, dall der Abtastschalter so lange geschlossen ist, wie die Ausgangsspannung der QuadrierschalUmg größer ist als die Referenzspannung und geöffnet wird, wenn diese kleiner wird und in diesem Fall die Ausgangsspannung der Halteschaltung (C2) über den Rückkopplungswiderstand eine Konstantstromentladung des Integrierkondensators (Cl) bewirkt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantslromqucllc derart (C2, AS, R4) dimensioniert ist, daß die Steigung der abfallenden Flanke der Dctektor-Antworifunktion auf ein Rcchtccksignal gleich der Steigung de^r sich ohne Konstantstromentladung ergebenden e-funktionsförmigen Entladung ist.

drierschaltung, einem nachgeschalteten Mittelwertbildner mit e-funktionsförmigem Einschwingverhalten und einer Rückführung des Mittelwertes zur Quadrierschaltung, die eine Division durch das Ausgangssignal des Mittelwertbildners bewirkt.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 935 544 ist ein derartiger Effektivwertmesser bekannt, bei welchem das Eingangssignal den beiden Eingängen eines Multiplizierers zugeführt wird, welcher mit einem

ίο Integrationsverstärker verbunden ist, dessen Ausgangssignal über eine proportional wirkende Rückführung mit dem Multiplizierer rückgekoppelt ist. Durch die direkte Zufuhr des Eingangssignals an die miteinander verbundenen Eingänge des Multiplizierers ist der Amplitudenbereich der von der Schaltung bearbeitbaren Signale auf den halben, im Jogarithmischen Maß gemessenen Dynamikbereich der Ausgangsschaltung des Multiplizierers begrenzt.

Ein Effektivwertmesser, der speziell mit gestaffelt vorgespannten Dioden und gleitender Knickspanniing arbeitet, ist in einem Aufsatz von E. Sonntag, »Hochfrequenztechnik und Elektroakustik«, Bd. 70, 1961, Heft 3, S. 75 bis 79, beschrieben.

Weiterhin ist es bei derartigen Schaltungen bekannt, die Knickkennlinie mittels idealisierter Dioden zu realisieren, wozu Verstärkerelemente benötigt werden. Auch versteht es sich, daß an Stelle eines Quadriergliedes ein Multiplizierer verwendet werden kann, dessen Eingänge miteinander verbunden sind bzw. mit gleichen Signalen beaufschlagt werden.

Aus der USA.-Patentschrift 2 839 244 ist eine Multi-•pliziervorrichtiing mit zwei Multipliziereingängen und einem Dividiereingang bekannt, die gemäß der deutschen Auslegeschrift I 935 544 ebenfalls in einem Effektivwertmesser der angegebenen Art verwendet werden kann.