DE2165486A1

DE2165486A1 - Effekti v wertwandlerschaltung

Info

Publication number: DE2165486A1
Application number: DE19712165486
Authority: DE
Inventors: Roswell W. New York N.Y. Gilbert (V.StA.)
Original assignee: Weston Instruments Inc
Current assignee: Weston Instruments Inc
Priority date: 1971-01-15
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1972-07-27
Also published as: GB1378251A; CA953421A; FR2121692B1; FR2121692A1

Description

zum Patentgesuch

der Firma Weston Instruments, Inc., 614 Frelinguysen Avenue,

Newark, New Jersey, U.S.A.

betreffend:

"Effektxvwertwandlerschaltung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Effektivwertwandlerschaltung, also auf einen Schaltkreis, der dazu dient, ein sich änderndes elektrisches Eingangssignal in ein Ausgangssignal zu wandeln, das proportional dem Effektivwert des Eingangssignals ist.

Bei einem gebräuchlichen Typ von Effektivwertwandler wird das Eingangssignal mit sich selbst in einem Multiplizierschaltkreis multipliziert, dessen Ausgangssignal integriert wird, wonach das Ausgangssignal des IntegrierSchaltkreises einem zweiten Multiplizierschaltkreis zugeführt wird, der so angeschlossen ist, das er als Quadratwurzelberechnungsschaltung arbeitet. Das Ausgangssignal des zweiten Multiplizierschaltkreises repräsentiert den Effektivwert des Eingangssignals.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese bekannte Effektivwertwandlerschaltung hinsichtlich des erforderlichen Aufwandes zu verbessern und zu vereinfachen. Insbesondere soll die Anzahl der erforderlichen Bauelemente verringert werden, wobei trotz großer Einfachheit und relativ geringen Herstellungskosten eine hohe Genauigkeit bei dem Betrieb des Wandlers erhalten bleiben soll.

Bei einer Effektivwertwandlerschaltung mit einem Multiplizierschaltkreis für die Multiplikation eines Eingangssignals mit sich selbst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst durch einen Kompensationsschaltkreis zur Erzeugung eines dem Effektivwert des Eingangssignals entsprechenden Kompensationssignals zum Auskompensieren der Gleichstromkomponente am Ausgang des Multiplizierschaltkreises.

Die erfindungsgemäße Wandlerschaltung benötigt nicht mehr den bei der bekannten Schaltung erforderlichen zweiten Multiplizierschaltkreis. Da aber jeder Multiplizierschalt-

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kreis gewöhnlich ein sehr teures Baueleriäit ist^ durch die Vermeidung eines Multiplizierschaltkreises die Wandlerschaltung erheblich einfacher und weniger kostspielig in der Herstellung.

Oie Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden, deren einzige Figur halbschematisch den Stromlaufplan einer Effektivwertwandlerschaltung gemäß der Erfindung zeigt. Der Wandler Io umfaßt als Hauptkomponenten einen Multiplizierschaltkreis 12 mit Eingangsklemmen 21 und 23, einen Integrierschaltkreis 14 und einen Inverterschaltkreis 16. Der Multiplizierschaltkreis ist von bekannter Bauart, beispielsweise vom Pulshöhe/Pulsbreite-Typ. Derartige Multiplizierschaltkreise sind an sich bekannt.

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so daß auf die Beschreibung von Einzelheiten verzichtet werden kann, üa es sich bei ihnen um spannungsmultiplizierende Schaltungen handelt, und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung davon abhängt, daß sie in der Lage ist, Ströme an den Eingangsklexnmen 21 und 23 des Multiplizierschaltkreises 12 zu addieren, sind Summierverstärkerschaltkreise 18 bzw. 2o vor die Eingangsklemmen 21 bzw. 23 gestaltet. Wenn es sich jedoch bei dem Multiplizierschaltkreis 12 um ein strommultiplizierendes Bauelement handelt, werden die Summierschaltkreise 18 und 2o nicht benötigt.

Der Eingangssignalstrom I, der zu wandeln ist, wird an den Eingangsanschluß 22 der Schaltung gelegt. Der Strom I gelangt durch die Begrenzungswiderstände 24 und 26 zu Stromsummierknoten 28 und 3o, von dort durch die Summierverstärker 18 und 2o und schließlich an die Eingangsklemmen 21 und 23 des Multiplizierschaltkreises 12. Der Multiplizierschaltkreis 12 multipliziert die Signale an seinen beiden Eingangsklemmen 21 und 23 und erzeugt demgemäß ein Ausgangssignal, welches das Produkt der beiden Eingangssignale ist. Dieses Ausgangssignal wird dem Integrierschaltkreis 14 zugeführt.

Der Integrierschaltkreis 14 umfaßt einen hochverstärkenden Operationsverstärker 38, einen Eingangswiderstand 36 und einen relativ groß bemessenen Rückkopplungskondensator 4o, der zwischen den Ausgang und den Eingang des Verstärkers 38 gestaltet ist. Die Zeitkonstante des Int^egrierschaltkreises, also das Produkt aus dem Widerstandswert des Widerstandes 36 und der Kapazität des Kondensators 4o, wird so groß gewählt, daß sich ein Quasi-Gleichspannungsausgangssignal des Integrierschaltkresises ergibt, vorzugsweise ist die Zeitkonstante we-

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sentlich größer als die Periodendauer des niedrigstfrequenten Eingangssignals, das von der Schaltung Io gewandelt werden soll.

Ohne die noch zu beschreibende Rückkopplung des Ausgangs des Integrierschaltkreises wäre das Ausgangssignal an den Klemmen 55 bzw. 56 gerade das Integral des Quadrats des Eingangssignals? dies ist jedoch nicht der Effektivwert.

Das Ausgangsstromsignal I_f des Integrierschaltkreises 14 wird in nichtinvertierter Form von der Klemme 5o über einen Widerstand 32 dem Knotenpunkt 28 zugeführt. Das Ausgangssignal, das an der Klemme 55 erscheint, wird weiter über den Inverterschaltkreis 16 und einen gleichen Widerstand 34 dem anderen Knotenpunkt 3o zugeführt. Demgemäß wird das nichtinvertierte Ausgangssignal des Integrierschaltkreises 14 zum Knoten 28 rückgekoppelt und das invertierte Ausgangssignal des Integrierschaltkreises 14 gelangt an den Knoten 3o. Der Rückkopplungsstrom l£ wird algebraisch dem Eingangsstrom I an denKnoten 28 und 3o addiert.

In der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung ist der Integrierschaltkreis 14 ein invertierenderf" Integrierschaltkreis, so daß das uninvertierte Signal, das an den Knotenpunkt 28 rückgekoppelt wird, negatives Vorzeichen besitzt, während das invertierte Signal, das auf den Knoten 3o rückgekoppelt wird, positives Vorzeichen besitzt. Die aufsummierten Signale werden dann an die Eingangsklemmen 21 und 23 des Multiplizierschaltkreises geführt, welcher die Summen miteinander multipliziert.

In der Tat beaufschlagt das Eingangssignal den Multiplizierschaltkreis 12 in einerRichtung, während das Rückkopplungssignal ihn in der entgegengesetzten Richtung bis zu einem Kompensationspunkt beaufschlagt, an dem der linear gemittelte Gleichstromaus-

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gang des Multiplizierschaltkreises Null ist. Das Gleichspannungssignal, das erforderlich ist, um den Multiplizierschaltkreis auszubalancieren, ist der Effektivwert des Eingangssignals. Das heißt, die Spannung E an der Klemme 56 ist gleich dem Effektivwert der Eingangsspannung. Der Effektivwert des Stromes I ist die Spannung E dividiert durch den Widerstandswert der Widerstände 32 oder 34 (die Widerstandswerte der beiden Widerstände 32 und 34 sind gleich).

Die folgenden Gleichungen drücken die Verhältnisse aus, die im stabilen Betriebszustand anzunehmen sind und gegeben sein müssen, damit der linear gemittelte Gleichspannungsausgang des Multiplizierschaltkreises Null wird (wie es der Fall sein muß bei stabilen Betriebsbedingungen), wobei T die Periodendauer des stetigen Eingangssignals I ist.

(D (2) (3)

Wenn stabile Betriebsbedingungen erreicht worden sind,

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ist I_f ein stetiger Gleichstrom, I_f wird konstant und die Gleichung (3) ergibt:

(4) I_f ² = _1_ ( I² dt

Ziehen der Quadratwurzel auf beiden Seiten der Gleichung (4) ergibt:

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(I + IJ (I - IJ dt = O; oder (I - I ~) dt = O, woraus folgt:

I_f - V_l_ i I* dt - I_e£f#

Mit anderen Worten zeigt die-Gleichung (5), daß der Ausgang im stabilen Betriebszustand am Integrierschaltkreis 14 gleich dem Effektivwert des Eingangsstromes ist.

Eine Diode 52 ist zwischen den Punkt 55 und den Ausgang des Integrierschaltkreises 14 gescnaltet und eine weitere Diode 54 ist parallel zum Kondensator 4o gelegt. Die üio- ~ den 52 und 54 sind vorgesehen um sicherzustellen, daß der Ausgangsstrom nur in einer Richtung fließt. Dies verhindert, daß der Schaltkreis bei Nichtvorliegen eines Eingangssignals in einen unerwsünschten Betriebsmodus aes Multiplizierschaltkreises driftet. Insbesondere verhindern die Dioden die "Selbstverriegelung" des Schaltkreises in einen Zustand, in dem der Multiplizierschaltkreis in einem seiner normalerweise unbenutzten Quadranten arbeitet.

Jeder der Verstärker 38, 42 und 48 kann einjZi relativ billiger integrierter Operationsverstärker sein, wie er unter der Typenbezeichnung "741" als Differentialoperationsverstärker auf dem Markt ist. Jeder der Verstärker ist mit einer seiner Eingangsklemmen an Masse gelegt, so daß unsymmetrischer Betrieb vorliegt.

Der Inverterschaltkreis 16 ist ein konventioneller, an sich bekannter Schaltkreis, der nicht nur den Operationsverstärker 32 umfaßt, sondern auch die Widerstände 44 und 46. Die Summierverstärker 18 und 2o sind untereinander identisch und ebenfalls an sich bekannt. Sie umfassen einenOperationsverstärker 48 mit einem die Verstärkung festlegenden Rückkopplungswiderstand.

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Wie oben erwähnt, sollte die Zeitkonstante des Integrxerschaltkreisesviel größer sein als die Periodendauer der niedrigsten von der Wandlerschaltung zu verarbeitenden Frequenz. Der Grund dafür liegt darin, daß sichergestellt wird, daß die quadrierte Eingangswelle geglättet wird. In einem Schaltkreis, der gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut wurde, hatte der Widerstand 36 einen Wert von loo ooo Ohm und der Kondensator 4o eine Kapazität von 1 ^*- F. Der Verstärker 38 war ein intergrierter Operationsdifferentialverstärker von Typ "741".

In einer alternativen Ausführungsform kann der Inverter 16 zwischen den Eingangsanschluß 22 und einen der Eingangsknotenpunkte 28 bzw. 3o des MultiplizierSchaltkreises 12 mit dem gleichen Endergebnis geschaltet werden,als wenn der Inverter zwischen die Klemmen 55 und 3o geschaltet ist. Diese alternative Ausbildung ist in der Zeichnung in gestrichelten Linien angedeutet. In ähnlicher Weise kann auch der Inverter 16 zwischen

<xe leat werden.
die Klemmen 55 und 2h, ohne daß die Betriebsweise des Wandlers Io sich ändert. In jedem Fall ist das Grundprinzip dasselbe, weil eines der beiden Eingangssignale an einem der beiden Knotenpunkte 28 bzw. 3o in der Polarität umgekehrt worden ist, so daß die Signale an einem Puntk 28 bzw. 3o addiert, am anderen aber subtrahiert werden.

Die Eingangssignale können viele verschiedene Wellenformen besitzen; die Wandlerschaltung gemäß der Erfindung liefert einen Effektivwert im wesentlichen unabhängig von der Wellenform. Auch liefert die Schaltung einen Effektivwert bei Gleichspannungseingangssignalen, so daß sie geeicht werden kann unter Verwendung von Standardelementen oder anderen stabilen Gleichspannungsquellen als bekanntes Eingangssignal.

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Der Gleichspannungswandler Io ist relativ einfach, stabil, genau und preisgünstig.in der Herstellung. Anstelle von zwei Multiplizierschaltkreisen, wie dem Schaltkreis 12, ist nur einer erforderlich. Damit wird ein erheblicher Kostenfaktor im Vergleich mit dem Stand der Technik eliminiert. Darüberhinaus ist die Schaltung kompakt und leicht in Meßgeräte oder andere Anlagen einzubauen, in denen sie angewandt werden soll.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1.J Effektivwertwandlerschaltung mit einem Multiplizierschaltkreis für die Multiplikation eines Eingangssignals mit sich selbst, gekennzeichnet durch einen Kompensationsschaltkreis zur Erzeugung eines, dem Effektivwert des Eingangssignals entsprechenden Kompensationssignals zum Auskompensieren der Gleichstromkomponente am Ausgang des Multiplizierschaltkreises .

2. Effektivwertwandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsschaltkreis einen an den Ausgang des Multiplizierschaltkreises (12) angeschlossenen Integrierschaltkreis (14) umfaßt.

3. Effektivwertwandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplizierschaltkreis (12) zwei Eingangsklemmen (21, 23) aufweist, an die der Ausgang des Integrierschaltkreises (14) angeschlossenist, und daß ein Inverterschaltkreis (16) zur Erzeugung eines invertierten Verhältnisses zwischen dem Integrierschaltkreis-Ausgangssignal und dem Eingangssignal an einer der Eingangsklemmen vorgesehen ist.

4. Effektivwertwandlerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Inverterschaltkreis (16) zwischen den Ausgang (55) des Integrierschaltkreises (14) und eine der Eingangsklemmen (3o) gelegt ist.

5. Effektivwertwandlerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Inverterschaltkreis zwischen den Ein-

-Ip-

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gangsanschluß der Wandlerschaltung und eine der Eingangsklemmen geschaltet ist.

6. Effektivwertwandlerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrierschaltkreis (16) eine gegenüber der Periodendauer des Eingangssignals große Zeitkonstante besitzt.

7. Effektivwertwandlerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,gekennzeichnet durcn einen Gleichrichter (52) für

™ das Integrierschaltkreis-Ausgangssignal.

8. Effektivwertwandlerschaltung nach einem uer Ansprüche von 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplizierschaltkreis (12) spannungsmultiplizierend ausgebildet ist und jeder seiner Eingangsklemmen (21, 23) ein Stromsummierverstärker (18, 2o) vorgeschaltet ist.

9. Effektivwertwandlerschaltung nach einem der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplizierschaltkreis (12) vom Pulshöhe/Pulsbreite-Typ ist.

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