DE2139126B2 - Digital in logarithmischem mass anzeigender spannungsmesser - Google Patents

Description

zueinander stehen, und daß zwischen solchen Abschnitten n-1 Näherungszeitabschnitte liegen, in denen die Werte der Folgefrequenz / sich etwa

35

1 2

2" :2"

40

verhalten {n = ganze Zahl).

2. Spannungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Zählfrequenzquelle (7) und den Zähler (10) ein steuerbarer Teiler (9) eingeschaltet ist, dessen Teilerverhältnis während der auszuzählenden Entladezeit von einer Ablaufsteuerung (11) schrittweise geändert (verkleinert oder vergrößert) wird, die mit der Frequenz der Ausgangsspannung des steuerbaren Teilers (9) (= Eingangsfrequenz des Zählers) über einen die gleichen Zählwertintervalle und damit die Näherungszeitabschnitte konstanter Frequenz bestimmenden Teiler (12) fortgeschaltet wird.

3. Spannungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu Beginn der Entladezeit eine Bezugsspannung U₀ aufweisende Kondensator (C) bis auf eine der zu messenden Spannung U_M proportionale Spannung U_x entladen wird und die hierfür benötigte Entladezeit T_x mit Impulsen ausgezählt wird, deren Folgefrequenz / mit der Zeil r hyperbolisch zunimmt, wozu der steuerbare Teiler (9) eine Kette aus kurzschließbaren, insbesondere unter sich gleichen, festen Frequenzteilern (14) enthält, von denen während der auszuzählenden Entladezeit (T_x) von der Ablaufsteuerung (11) hintereinander jeweils zu Beginn der Näherungszeitabschnitte immer mehr anfänglich eingeschaltete Frequenzteiler kurzgeschlossen werden.

4. Spannungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zu Beginn der Entladezeit eine der zu messenden Spannung V_M proportionale Spannung LZ_x aufweisende Kondensator (C) entladen wird und die für seine Entladung bis auf die Bezugsspannung U₀ benötigte Entladezeit T_x mit Impulsen ausgezählt wird, deren Folgefrequenz / mit der Zeit t hyperbolisch abnimmt, wozu der steuerbare Teiler (9) eine Kette aus kurzschließbaren festen Frequenzteilern (14) enthält, von denen während der auszuzählenden Entladezeit (T_x) von der Ablaufsteuerung (11) hintereinander jeweils zu Beginn der Näherungszeitabschnitte immer mehr anfänglich kurzgeschlossene Frequenzteiler eingeschaltet werden.

5. Spannungsmesser nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Teiler (9) verschiedene zusätzliche Frequenzteiler (16) unterschiedlichen, festen Teilerverhältnisses enthält, die einerseits mit einer gemeinsamen Klemme verbunden sind und die andererseits an je einem festen Kontakt eines Umschalters (15) liegen, dessen Umschaltekontakt von der Ablaufsteuerung (11) während der auszuzählenden Entladezeit (T_x) jeweils zu Beginn eines Näherungszeitabschnittes weitergeschaltet wird.

6. Spannungsmesser nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler auf einen Wert voreinstellbar ist, welcher einer Abweichung von der dem logarithmischen Maß »Null« zugeordneten Bezugsspannung entspricht.

7. Spannungsmesser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Näherung, die einen überwiegend einseitig gerichteten Anzeigefehler hervorruft, eine Ausmittelung hinsichtlich beidseitig ( + , -) gerichtetem, kleinerem Anzeigefehler durch eine geringfügige Veränderung, vorzugsweise Vergrößerung, der Entladezeitkonstante T₀ bewirkt wird.

8. Spannungsmesser nach Ansprach 4, dahin abgewandelt, daß der Kondensator (C) vollkommen entladen wird, wozu eine Entladezeit T = T_x + T₀ erforderlich ist (T₀ = R · C) und daß der Beginn der Auszählung mit den Impulsen hyperbolisch abnehmender Folgefrequenz um eine der Teilzeit T₀, während der die Kondensatorspannung von U₀ auf OVoIt abnimmt, gleichende Zeitspanne verzögert wird.

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler mit einer nichtlinearen Umwandlungsfunktion nach dem Spannungs-Zeitumsetzverfahren, bei welchem ein Kondensator von einer ersten Spannung mittels eines konstanten Referenzgleichstroms auf eine zweite Spannung umgeladen wird, von denen die eine Spannung der Meßspannung proportional ist, insbesondere durch Aufladen des Kondensators in einem ersten vorgegebenen Zeitabschnitt mittels eines der Meßspannung U_m proportionalen Stroms (Integration) und von denen die andere Spannung eine Referenzspannung ist, und bei welchem die

während der Umladezeit T_x auftretenden Impulse einer Zählfrequenzquelle mittels eines Zählers ausgezählt werden, deren Folgefrequenz bei Erreichen bestimmter Zählwerte derart verändert wird, daß die nichtlineare Umwandlungsfunktion mit Geradenstücken angenähert wird.

Eine derartige Meßanordnung ist aus der deutschen Patentschrift 1 252 313 bekannt. In der dort beschriebenen Meßanordnung erfolgt die bezüglich ihrer Dauer ausgezählte Entladung des Kondensators nach einer exponentiellen Zeitfunktion, und die Folgefrequenz der Impulse der Zählfrequenzquelle ist im wesentlichen konstant, sie wird nur zu Eichzwecken den Schwankungen der Zeitkonstanten des Entladekreises des Kondensators ausgleichend nachgeregelt. Bei der Meßanordnung nach der deutschen Patentschrift 1 252 313 liefert das Zählergebnis unmittelbar ein logarithmisches Maß der zu messenden Spannung für ihre Anzeige in digitaler Form (vgl. die entsprechende, von der Patentschrift abweichende Auslegeschrift), so daß zur Logarithmierung weder auf der Analogseite eine Abbildung an einer logarithmischen Kennlinie benötigt wird noch eine aufwendige digitale Logarithmierung eines digital in linearem Maß vorliegenden Meßergebnisses erforderlich ist.

Die bekannte Meßanordnung hat jedoch den grundsätzlichen Nachteil, daß sie mit einer exponentiellen Zeitfunktion zur Kondensatorentladung arbeitet, in deren Zeitkonstante die elektrischen Werte sämtlicher Bauelemente des Entladestromkreises stark eingehen. Diese Werte unterliegen Umgebungseinflüssen wie Temperatur und Feuchtigkeit und driften langzeitlich, so daß sich die Meßgenauigkeit hierbei unter vertretbarem Aufwand nicht sehr hoch treiben läßt und ein hoher Aufwand zur Eichung erforderlich ist, z. B. von der in obiger Patentschrift erwähnten Art.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die beschriebenen Nachteile der bekannten Meßanordnung zu vermeiden und dennoch eine Anordnung zu schaffen, bei der weder eine Logarithmierung auf der Analogseite erfolgt noch ein vorher digitalisierter Meßwert mittels anschließender digitaler Verarbeitung logarithmiert wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß bei Verwendung in einem digital in logarithmischem Maß anzeigenden Spannungsmesser, insbesondere Pegelmesser, die Folgefrequenz / über der Zeit gemäß einer in Näherungszeitabschnitte eingeteilten Treppenfunktion annähernd hyperbolisch derart geändert wird, daß sie während gewisser Näherungszeitabschnitte, die durch jeweils gleiche Zählwertintervalle bestimmt sind, jeweils konstante Werte aufweist, die im Verhältnis 1 : 2

zueinander stehen, und daß zwischen solchen Abschnitten n-1 Näherungszeitabschnitte liegen, in denen die Werte der Folgefrequenz / sich etwa wie

I 2 ii-l

verhalten (/i = ganze Zahl). Hierdurch läßt sich mit nur geringem Aufwand, der unter dem einer digitalen logarithmischen Umwertung liegt, direkt ein Zählergebnis in logarithmischem Maß erreichen, und es lassen sich sämtliche Vorteile des »Dual-Slope«- Analdg- Digitalwandlungsverfahrens (Ausmittelung, von Störungen durch Integration, Bedeutungslosigkeit einzelner Bauelementetcieranzen) mit denen der Erfindung auf äußerst günstige Weise vereinigen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 940 885, Anspruch 9, ist ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung nach dem Spannungszeitumsetzverfahren bekannt, das die Aufgabe löst, dabei außer Maßstabsanpassungen zur zahlenrichtigen Anzeige auch nahezu beliebige Nichtlinearitäten der Umsetzungsfunktion erzeugen zu können, damit die Nichtlinearitäten von Meßumformern oder -fühlern ausgeglichen werden können. Bei dem bekannten Verfahren wird hierzu in einem ersten Verfahrensschritt während einer vorgegebenen Zeit die Meßspannung einem Integrierglied zugeführt, das anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt mit einem konstanten Strom entladen wird, währenddessen einem Zähler Taktimpulse zugefügt werden, deren Taktimpulsfrequenz bei Erreichen bestimmter Zählwerte derart verändert wird, daß eine nichtlineare Funktion mit Gci adenstücken angenähert wird. Dieses bekannte Verfahren gibt aber dem Fachmann keine Anregung zu seiner Verwendung in einem digital in logarithmischem Maß anzeigenden Pegelmesser und dem dabei anzuwendenden Verlauf der Zählfrequenz (Taktimpulsfrequenz).

Eine zweckmäßige Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen die Zählfrequenzquelle und den Zähler ein steuerbarer Teiler eingeschaltet ist, dessen Teilerverhältnis während der auszuzählenden Entladezeit von einer Ablaufsteuerung schrittweise geändert (verkleinert oder vergrößert) wird, die mit der Frequenz der Ausgangsspannung des steuerbaren Teilers (= Eingangsfrequenz des Zählers) über einen die gleichen Zählwertintervalle und damit die Näherungszeitabschnitte konstanter Frequenz bestimmenden Teiler fortgeschaltet wird. Dabei kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der zu Beginn der Entladezeit eine Bezugsspannung U₀ aufweisende Kondensator (C) bis auf eine der zu messenden Spannung U_M proportionale Spannung U_x entladen und die hierfür benötigte Entladezeit T_x mit Impulsen ausgezählt werden, deren Folgefrequenz / mit der Zeit t hyperbolisch zunimmt, wozu der steuerbare Teil eine Kette aus kurzschließbaren, insbesondere unter sich gleichen, festen Frequenzteilern enthält, von denen während der auszuzählenden Entladezeit T_x von der Ablaufsteuerung hintereinander jeweils zu Beginn der Näherungszeitabschnitte immer mehr anfänglich eingeschaltete Frequenzteiler kurzgeschlossen werden. Es kann aber auch gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung der zu Beginn der Entladezeit eine der zu messenden Spannung U_M proportionale Spannung U_x aufweisende Kondensator (C) entladen und die für seine Entladung bis auf die Bezugsspannung IZ₀ benötigte Entladezeit T_x mit Impulsen ausgezählt werden, deren Folgefrequenz / mit der Zeit t hyperbolisch abnimmt, wozu der steuerbare Teiler eine Kette aus kurzschließbaren festen Frequenzteilern enthält, von denen während der auszuzählenden Entladezeit T_x von der Ablaufsteuerung hintereinander jeweils zu Beginn der Näherungszeitabschnitte immer mehr anfänglich kurzgeschlossene Frequenzteiler eingeschaltet werden.

In den beiden letztgenannten Fällen kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zur wei-

teren Unterteilung der Näherungszeitabschnitte vorgesehen sein, daß der steuerbare Teiler verschiedene zusätzliche Frequenzteiler unterschiedlichen, festen Teilerverhältnisses enthält, die einerseits mit einer gemeinsamen Klemme verbunden sind und die andererseits an je einem festen Kontakt oines Umschalters liegen, dessen Umschaltekontakt von der Ablaufsteuerung während der auszuzählenden Entladezeit T_x jeweils zu Beginn eines Näherungszeitabschnittes weitergeschaltel wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung macht die der Logarithmierung zugrunde liegende Bezugsgröße (Bezugsspannung U₀) dadurch digital einstellbar, daß der Zähler auf einen Wert voreinstellbar ist, welcher einer Abweichung von der dem logarithmischen Maß »Null« zugeordneten Bezugsspannung entspricht.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht im Falle einer Näherung, die einen überwiegend einseitig gerichteten Anzeigefehler hervorruft, eine Ausmittelung hinsichtlich beidseitig (+, —) gerichtetem, kleinerem Anzeigefehler durch eine geringfügige Veränderung, vorzugsweise Vergrößerung, der Entladezeitkonstante T₀ vor.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß der Kondensator (C) vollkommen entladen wird, wozu eine Entladezeit T = T_x + T₀ erforderlich ist (T₀ = R · C), und daß der Beginn der Auszählung mit den Impulsen hyperbolisch abnehmender Folgefrequenz um eine der Teilzeit T₀, während der die Kondensatorspannung von U₀ auf 0 Volt abnimmt, gleichende Zeitspanne verzögert wird.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand zweier Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Hierbei zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild des Analog-Digitalwandlers eines digitalen Pegelmessers, das im wesentlichen für beide Ausführungsbeispiele gültig ist,

F i g. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes der Spannung u_c eines im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Kondensators während dessen Entladung mit einem Diagramm der währenddessen gezählten Impulse ζ über der Zeit,

F i g. 3 ein Diagramm der Folgefrequenz der im ersten Ausführungsbeispiel gezählten Impulse über der Zeit (theoretische Idealkurve sowie Näherungs-Treppen-Kurve),

F i g. 4 ein Diagramm des Zeitverlaufs der Spannung eines im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß dem Doppelintegrationsverfahren (Dual-Slope-Verfahren) verwendeten Kondensators,

F i g. 5 ein Diagramm gemäß F i g. 3 für das zweite Ausführungsbeispiel und

F i g. 6 einen die Kondensatorentladung darstellenden Ausschnitt aus F i g. 4 mit Zahlenbeispielen.

Bei beiden Ausfuhrungsbeispielen liegt die zu messende, bereits gleichgerichtete Analogspannung U_M an einem ersten Festkontakt 1 α eines dreipoligen Umschalters 1, an dessen zweitem Festkontakt 1 b eine (im ersten Ausführungsbeispiel umpolbare) Bezugsspannung (Normalspannung) U₀ und an dessen drittem Festkontakt 1 c Erdpotential (0 V) angelegt sind. Der Schleifer des Umschalters 1 ist über einen Festwiderstand R mit einem ersten Eingang 3 eines Operationsverstärkers 2 verbunden, der durch einen Kondensator C gegenkoppelnd als Integrator beschaltet ist. Ein zweiter Eingang 4 des Operationsverstärkers 2 liegt an Erde, so daß auch dessen erster Eingang 3 annähernd Erdpotential führt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 2, an dem deshalb die Kondensatorspannung U_r liegt, ist mit einem Eingang eines Vergleichers 5 verbunden, an dessen anderem Eingang beim ersten Ausführungsbeispiel (punktierte Verbindungslinie) die Analogspannung U_M bzw. beim zweiten Ausführungsbeispiel (gestrichelte Verbindungslinie) Erdpotential liegt. Der Ausgang des Vergleichers 5 beaufschlagt einen Meßtaktgeber 6, der mit einer sehr frequenzkonstanten Zählimpulsquelle 7 hoher Impulsfolgefrequenz synchronisiert ist und über entsprechende Steuerleitungen den Meßablauf steuert mittels des Umschalters J und eines am Ausgang der Zählimpulsquelle liegenden Torschalters 8. Letzterer ist über einen als strichpunktiert umrahmter Block gezeichneten steuerbaren Frequenzteiler 9 mit einem voreinstellbaren Zähler 10 verbunden. Eine Ablaufsteuerung 11, die von einem festen Frequenzteiler 12 Programmimpulse empfängt, steuert das Teilverhältnis des steuerbaren Frequenzteilers 9. Dies geschieht über Kurzschlußschalter 13 einer im steuerbaren Frequenzteiler 9 enthaltenen Kette aus kurzschließbaren 2:1-Frequenzteilern 14, zu der ein ebenfalls gesteuerter zweipoliger Umschalter 15 in Reihe geschaltet ist, an dessen festen Kontakten je einer von zwei festen Frequenzteilern 16 mit unterschiedlichem Teilerverhältnis (7:1 und 5:1) liegt, deren Ausgänge an einer gemeinsamen, den Ausgang des steuerbaren Frequenzteilers 9 bildenden Klemme zusammengeschaltet sind. Der feste Frequenzteiler 12 wird vom Ausgang des steuerbaren Frequenzteilers 9, an dem auch der Eingang des Zählers 10 liegt, gespeist. Beim ersten Ausführungsbeispiel wird zwecks Me?- sung der Analogspannung U_M der Kondensator C zunächst während einer konstanten Vorbereitungszeit T₁. = T₀ auf die Bezugsspannung U₀ gebracht und dann von der Bezugsspannung U₀ aus durch einen konstanten Referenzgleichstrom -^-, der ein streng lineares Abnehmen der Kondensatorspannung U_c zur Folge hat, entladen. Die Zeit T_x vom Ende der Vorbereitungszeit (t = 0) bis zum Erreichen der Spannungsgleichheit zwischen Kondensatorspannung U_c (vgl. Fig. 2) und Meßspannung U_M = U_x wird als Maß für U_M durch Zählung von Impulsen der Zählimpulsquelle 7 gemessen. Dabei besteht zwischen U_M und T_x der streng lineare Zusammenhang

U_n

_ T₀ - T_x

also

Uw = U„ =

oder in einem Dämpfungsmaß

- 4M · (2)

Während der gesamten im Diagramm der F i g. 2 nicht eingetragenen Vorbereirungszeit T_v liegt der ursprünglich auf dem dritten Festkontakt Ic liegende Schleifer des Umschalters 1, gesteuert vom Meßtaktgeber 6, auf dem zweiten Festkontakt 1 i>, so daß die

Kondensatorspannung U_c bis auf den Wert LZ₀ ansteigt. Nur während der Zeit T_x, deren am Ende von T„ liegender Anfang ί = 0 vom Meßtaktgeber 6 bestimmt wird, indem dieser die Bezugsspannung U₀ zu - U₀ umpolt und deren Ende vom Vergleicher 5 an den Meßtaktgeber 6 gemeldet wird, hält der Meßlaktgeber 6 den Torschalter 8 leitend. So zählt der Zähler 10 während dieser Zeit T_x von der Zählimpulsquelle 7 erzeugte Impulse. Anschließend an T_x wird der Kondensator unverändert weiter entladen, bis er nach der vom Meßtaktgeber bestimmten Zeit T₀ wieder 0 V fuhrt.

Würden die Zählimpulse mit konstanter Folgefrequenz an den Zähler geliefert, so würde dessen Zählergebnis nach Gleichung (1) die Analogspannung U_M in linearem Maß anzeigen.

Zum Zweck einer direkten logarithmischen Anzeige der Spannung U_x und damit der Zeit T_x bei veränderlicher Impulsfolgefrequenz, also veränderlichem Zeitabstand der gezählten Impulse, ist eine logarithmische Beziehung erforderlich zwischen der laufenden Entladezeit t und der Anzahl ζ der bis zu der abgelaufenen Zeit f insgesamt gezählten Impulse.

Da für l = T_x die Impulsanzahl Z = Z_x die Analogspannung U_x in logarithmischem Maß repräsentieren soll, erhält man die erwähnte Beziehung durch Logarithmierung von (1) entsprechend (2) mit ζ = K α {Κ = konstanter Faktor) und Ersatz von T_x durch t zu

Die hyperbolische Zeilfunktion (6) der Zählimpuls-Folgefrequenz wird über der Zeit ( abschnittsweise durch konstante Frequenzen /,, f₂, f₃ usw. angenähert (vgl. die Treppenfunktion in Fig. 3), eingeteilt in Näherungszeitabschnitte {,, t₂, t₃ usw. Hierzu verkleinert die Ablaufsteuerung Il schrittweise das Teilerverhältnis des steuerbaren Frequenzteilers 9 jeweils zu Beginn der Näherungszeitabschnilte t,, t₂, t₃, und zwar jeweils nach Erscheinen

ίο einer konstanten Impulszahl am Ausgang des festen Frequenzteilers 12, def von der Ausgangsfrequenz des steuerbaren Frequenzteilers 11 beaufschlagt ist. Dadurch werden die Näherungszeitabschniltc untereinander verschieden lang. Einzelne Näherungszeilabschnitte steheii im Verhältnis 1 : 2 zueinander. Dies sind in F i g. 3 die unmittelbar benachbarten Näherungszeitabschnitte.

Eine bessere Näherung als in F i g. 3 ergibt sich auf einfache Weise durch weitere Unterteilung der ein-

;o zelnen Abschnitte, deren Impulsfolgefrequenzen sich wie

0 ti

1:2=2» :2»

(« = ganze Zahl) verhallen, indem (« — 1) Näherungszeitabschnitte dazwischen gelegt werden, in denen sich die zugehörigen Impulsfolgefrequenzen wie

z- =

Die momentane Impulsfolgefrequenz / ergibt sich aus dem zeitlichen Abstand

U = J = j,. + , - ti = al

zweier aufeinanderfolgender Zählimpulse z, und z_f+1, wobei

z,+i -ζ,- = dz = 1.

Die Ableitung von (3) nach der Zeit liefert die Änderung von ζ während eines kurzen Zeitabschnittes dt, allgemein die Beziehung zwischen dz und dt in Abhängigkeit von der Zeit:

(4)

dz
di

dz	K T0	t T0	TT
dt 1	—		i-T0
1	f
dt

(5) 2- ^: 2"

η - 2

2"

ist die momentane Impulsfolgefrequenz zur Zeit t.

Nach dieser Beziehung muß die Folgefrequenz der Zählimpulse sich während der Entladezeit ändern, damit das Zählergebnis ein logarithmisches Maß für die zu messende Analogspannung U_M = U_x ist

Als graphische Darstellung von (6) erhält man eine im interessierenden Bereich 0 < t < T₀ ansteigende Hyperbel, mit t = T₀ als Asymptote (Fig. 3).

verhalten. Für η = 2 erhält man dabei Unterteilungen einzelner (sich untereinander wiederum wie 1 :2 verhaltender) Näherungszeitabschnitte im Verhältnis [/2:1, also ungefähr 7:5.

Für den letzteren Fall ist der in Fig. 1 unter anderem dargestellte steuerbare Frequenzteiler 9 eingerichtet : Die Ablaufsteuerung 11 schaltet den zweipoligen Umschalter 15 zu Beginn der Entladezeit, welcher ihr über eine Steuerleitung 16 vom Meßtaktgeber 6 mitgeteilt wird, auf den oberen der festen Frequenzteiler 16, der ein Teilerverhältnis 7:1 hat, und öffnet gleichzeitig alle Kurzschlußschalter der Frequenzteilerkette 14. Nach einer konstanten Zahl von 30 gezählten Impulsen — ermittelt über den festen Frequenzteiler 12 — wird der Umschalter 15 auf den unteren der festen Frequenzteiler 16 mit Teilerverhältnis 5 :1 umgeschaltet. Nach weiteren 30 Impulsen schaltet er wieder auf den oberen 7 :1 -Teiler, gleich-

zeitig wird aber ein erster Teiler aus der Frequenzteilerkette 14 kurzgeschlossen. Dann nach 30 Impulsen Umschaltung auf den unteren 5:1-Teiler, nach weiteren 30 Impulsen auf den oberen 7:1-Teiler mit gleichzeitigem Kurzschluß eines weiteren Teilers aus der Frequenzteilerkette 14 usw., bis entweder ein Ansprechen des Vergleichers 5 bei U_c = U_x das Frequenzprogramm unterbricht oder die Gesamtzeit T₀ erreicht ist, also der Torschalter 8 sperrt und eine neue Messung beginnen kann.

Der Anzeigefehler auf Grund dieser Näherung schwankt immer von 0 zu einem ungefähr konstanten Maximalwert in einer Richtung. Dieser Fehler kann zu einem beidseitig gerichteten, entsprechend kleineren Anzeigefehler ausgemittelt werden, indem die Steigung

der Entladegeraden u_c(t), also die Entladezeitkonstante T₀, um einen geringfügigen, konstanten, gerade die Mittelung bewirkenden Wert verändert wird. Durch größere Veränderung von T₀ könnte der ur-

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auch

sprüngliche näherungsbedingte Anzeigefehler
ganz in die andere Richtung verlagert werden.

Durch Voreinstellung des Zählers 10 zu Beginn der Entladezeit kann die logarithmische Bezugsgröße für die Anzeige beeinflußt werden, ohne daß die Bezugsspannung U₀ selbst verändert wird. Diese Möglichkeit wird unten an Hand des zweiten Ausführungsbeispiels etwas näher erläutert.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 4) lädt während einer konstanten Ladezeit T, ( = 20ms) ein der zu messenden Analogspannung V_x, proportionaler

Strom

den Kondensator C von Erdpoiential

aus auf. (Umschalter 1 in Stellung des ersten Festkontaktes \a). Die Kondensatorspannung U₁ erreicht zur Zeil T₁ eine Spannung U_x, die zu U_M proportional ist:

Mit Beginn der anschließenden Entladung (Zeitpunkt I_x = 0 in Fi g. 4, Umschalter 1 wird vom Meßtaktgeber 6 auf den zweiten Festkontakt 1 b — U₀ - gelegt) entlädt ein konstanter Referenzgleichstrom

is" den Kondensator C wieder auf Erdpotenlial, so

daß die Kondensatorspannung U_c mit konstanter Steigung streng linear abnimmt. Bei Erreichen des Erdpotentials ist die Gesamtentladezeit T beendet, was vom Vergleicher5. der in diesem.Ausführungsbeispiel ein einfacher Nullkomparator ist, an den Meßtaktgeber 6 signalisiert wird. Letzterer sperrt jetzt den Torschalter 8, den er vorher zu einem Zeitpunkt T₀ nach Entladungsbeginn leitend geschaltet hat, wieder. T₀ ist dabei für den Fall U_x = U₀ die Gesamtentladezeit von der Bezugsspannung U₀ bis zur völligen Entladung U₁. = 0. Die Entladezeit T_x=T- T₀, d.h. die Zeit von Entladungsbeginn (U₁. = U_x) an bis zum Erreichen der Bezugsspannung (U_c = U₀), also auch die gleiche Zeit von T₀ an gerechnet bis zur vollständigen Entladung (U₀ = 0), dient als Maß für U_x, d.h. für U_x,. Sie wird durch Auszählung von Impulsen der Zählimpulsquelle 7 während T_x gemessen. Dabei besteht zwischen U_x, und T_x der streng lineare Zusammenhang (s. F i g. 4).

J_x = -^ · (T_x + T₀)

¹O

(7)

oder, in einem Dämpfungsmaß,

a_M = In

U₀

= In

T_x+T₀

T₀

(8)

Bei konstanter Folgefrequenz der Zählimpulse würde nach Gleichung (7) ein Zählergebnis die Analogspannung U_M in linearem Maß angeben. Bei geeigneter variabler Folgefrequenz der Zählimpulse ist das Zählergebnis Z ein logarithmisches Maß für U_M, wenn Z proportional a_M ist. Also gilt in dem naheliegenden Fall, daß von Beginn der Entladung an Impulse gezählt werden, gemäß (8) für die laufende Impulsanzahl Z_x

z_x = K ■ In

(9a)

Dabei bestimmt der konstante Faktor K die Zahl der Zählimpulse für eine gegebene logarithmische Einheit, also die Anzeige-Auflösung.

Die momentane Impulsfolgefrequenz bestimmt sich

aus dem zeitlichen Abstand d / = -j zwischen zwei

Zählimpulsen z, und z_{i + )}, die sich um dz = 1 unterscheiden.
Nach (9a) ist

Ϊ; - ^K ■ ι, ?t₀ ^(io>

al>o

^ ... d. J₁. mit /' = -.— , df, t_x di,¹

die momentane impuisfoigefrequen/. zur Zeit I_x ist /- --~ · (H)

dieser Bezichungniuß sich die Folgefrequenz/ der Zählimpulse während der Entladezeit ändern, damit das Zählergebnis Z ein logarithmisches Maß für die zu messende Analogspannung U_M ~ U _v, bezogen auf die Bezugsspannung U_n ist. Die graphische Darstellung von (11) ist eine fallende Hyperbel, mit I_x = — T₀ als Asymptote (Fig. 5).

Da sich der Zeitpunkt der vollständigen Entladung (U_c = 0) leichter bestimmen läßt als der Zeitpunkt des Errcichens der Bezugsspannung U_c = U₀, wird die Entladezeit, wie weiter oben beschrieben, erst vom Zeitpunkt T₀ an gezählt und dann bis zur vollständigen Entladung, also um T₀ länger, ausgezählt.

Mit einer entsprechenden Zeitverschiebung (Verzögerung) um T₀, d. h. mit t = t_x — T₀, ergibt sich Tür die laufende Zahl ζ der im Zähler aufsummierten Impulse

ζ = K ■ In J- .

(9 b)

uabei isi f > T₀, es wird zur Zeit ι = T₀ mit de: Summierung (Zählung) begonnen.

Entsprechend ist nach (11) die Impuisfoigefrequen; zur Zeit t > T₀:

(12)

Die hyperbolische Zeitfunktion (12) der Zählimpuls Folgefrequenz wird über der Zeit t abschnittsweisi durch konstante Frequenzen angenähert (vgl. dii Treppenfunktion in F i g. 3). Hierfür gilt die Beschrei bung des ersten Ausfuhrungsbeispiels entsprechend mit dem Unterschied, daß die anzunähernde Hyperbe nun nicht wie dort ansteigt, sondern abfällt Dahe schaltet bei Zählbeginn (i = T₀) die Ablaufsteuerun] 11 bei anfänglich geschlossenen Kurzschlußschalten] also unwirksamer Zählerkette 14, den Umschalter 1; zuerst auf den unteren 5:1-Teiler und dann auf de; oberen 7:1-Teiler, um diesen Zyklusmit dem Einschal ten jeweils eines weiteren Teilers aus der ZähWicette 1 zu wiederholen.

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α = 20 Ig

Uo

(13)

ι ο

Um den Meßtaktgeber 6 zu vereinfachen, kann die Bestimmung des Zeitpunktes T₀ nach Entladungsbeginn auch mit Hilfe des Zählers 10 erfolgen, wenn der Torschalter 8 mit Entladungsbeginn bereits leitend geschaltet und der Nulldurchgang des entsprechend T₀ vorangestellten Zählers abgewartet wird, um in diesem Augenblick die Ablaufsteuerung 11 zu aktivieren.

Es ist auch möglich, bei Entladungsbeginn den Türschalter 8 leitend zu schalten, den Zähler von Null aus zählen zu lassen und den Zeitpunkt 7"₍₁ mittels eines vom Zähler beaufschlagten, einstellbaren oder fest eingestellten digitalen Vergleiehers zu bestimmen, wobei ein Ausgangssignal des Vergleiehers den Zähler auf Null zurückstellt und die Ablaufsteuerung 11 aktiviert.

Das Diagramm in Fig. 6 veranschaulicht ein Zahlenbeispiel für das zweite Ausführungsbeispiel. bei welchem für (8) der Briggsche Logarithmus verwendet wird und die Anzeige in Dezibel (db) erfolgt. Dann gilt entsprechend (8) für die anzuzeigende Dämpfung

In F i g. 6 ist die Entladezcit für eine nicht mehr eingetragene obere Meßbereichsgrenze a_a = 20 db (d. h. LJ_x(I = 10l/₀)zu T₀ — 90 msec angenommen. Daraus läßt sich T₀ zu 10 msec bestimmen. Da man in der Anzeige bis a = 0,1 db auflösen will, ist für 0,1 db

mindestens ein zählbarer Impuls nötig. Vom Beginn der Entladezeit bis zum Zeitpunkt T₀ laufen hierbei entsprechend dem erreichten Spannungsverhältnis von 6 db 60 Impulse in den Zähler 10; stellt man ihn vorher auf —60, so hat er bis zum Zeitpunkt t_x — T₀ auf 0 gezählt (s. z-Achsen-Bezifferung), was im Falle U_x = U_n als korrektes Ergebnis »Odb« angezeigt würde.

Soll die logarithmische Bezugsgröße für die Anzeige beeinflußt werden, ohne daß die Bezugsspannung U₀ selbst verändert wird, so kann dies durch Voreinstellung des Zählers 10 vor Zählbeginn in zu der Änderung der Bezugsgröße umgekehrter Richtung erfolgen. Zum Beispiel soll im Zahlenbeispiel nach F i g. 6 die Bezugsgrößc nicht 1 V betragen, sondern 4 V; dazu sind im Zähler - 120 Impulse voreinzustellen

= 2-2-lV =

= 120 Impulse).

Bei einer Messung von U_x = 8 V laufen dann 180 Impulse ein, so daß der Zähler Z= 180-120 = 60 Impulse = 6 db anzeigt.

Die Erfindung umfaßt auch eine äquivalente Anordnung, bei der als Energiespeicher statt eines Kondensators eine Spule verwendet wird, deren Strom durch Anlegen an eine Refereiizgleichspannung linear verändert wird unter Messung entweder der Zeit bis zum Erreichen eines der zu messenden Analogspannunt entsprechenden Stromes oder bis zum Stromloswerder der vorher mit einem solchen Strom beschickter Spule.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Wandler mit einer nichtlinearen Umwandlungsfunktion nach dem Span- nungs-Zeitumsetzverfahren, bei welchem ein Kondensator von einer ersten Spannung mittels eines konstanten Referenzgleichstroms auf eine zweite Spannung umgeladen wird, von denen die eine Spannung der Meßspannung proportional ist, insbesondere durch Aufladen des Kondensatois in einem ersten vorgegebenen Zeitabschnitt mittels eines der Meßspannung U_m proportionalen Stroms (Integration); und von denen die andere Spannung eine Referenzspannung ist, und bei welchem die während der Umladezeit T_x auftretenden Impulse einer Zählfrequenzquelle mittels eines Zählers ausgezählt werden, deren Folgefrequenz bei Erreichen bestimmter Zählwerte derart verändert wird, daß die nichtlineare Um-Wandlungsfunktion mit Geradenstücken angenähert wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung in einem digital in logarithmischem Maß anzeigenden Spannungsmesser, insbesondere Pegelmesser, die Folgefrequenz / über der Zeit gemäß einer in Näherungszejtabschnitte eingeteilten Treppenfunktion annähernd hyperbolisch derart geändert wird, daß sie während gewisser Näherungszeitabschnitte, die durch jeweils gleiche Zählwertintervalle bestimmt sind, jeweils konstante Werte aufweist, die im Verhältnis 1:2