DE2208239A1

DE2208239A1 - Phasendifferenzmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE2208239A1
Application number: DE19722208239
Authority: DE
Inventors: Karel Elbert; Hagenbeuk Henk; Eindhoven Kuijk (Niederlande). GOIr 29-02
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-03-13
Filing date: 1972-02-22
Publication date: 1972-09-14
Also published as: CA946486A; US3749939A; NL7103377A; IT952207B; FR2130165A1; ES400688A1

Description

Dr. Herbert Scholl _A _

Anmelder: N. V. FMIiPS¹ GLOEILAMPENFABRIEKEN

Akte: ptttf-S'tH ' PHN. 5482...

Anmeldung vorat $ /f. I, S //^ , Va/ftV.

Phasendifferenzmessvorrichtung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erhalten eines dem Phasenunterschied zwischen zwei Wechselspannungssi;; nalen proportionalen Signals, z.B. zum Synchronisieren eines Signale An bezug auf das andere.

Z.B. in Mess- und Regelsystemen, die Funktionsgeneratoren verwenden, kann es von grossera Nutzen sein, ein solches Signal zu erhalten. Die meisten dabei verwendeten Funktionsgeneratoren' benutzen das Auf- und Entladen eines Kondensators zwischen zwei festen Spanming^w^rte.n aus einer Stromquelle, wobei die beiden festen Spannungewerte a.B. mit Hilfe einer Schmitt-Triggerschaltung festgelegt sind. Der Funktionsgenerator liefert auf diese Weise eine Dreieckspannung und zugleich eine Rechteckspannung, wobei die erste Spannung dem Kondensator und die zweite Spannung der Schmitt-Triggerschaltung entnommen wird. NaturgemSss kann

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die Dreieckspannung mit Hilfe eines Dioden-Widerstanda-Netzwerks in eine Sinusspannung umgewandelt werden.

In einer Anzahl Anwendungen ist es nun erwünscht, zwei identische Spannungsformen zur Verfügung zu haben, die einen einstellbaren gegenseitigen Phasenunterschied aufweisen können. Zu diesem Zweck kann von zwei Dreieckgeneratoren ausgegangen werden, die Dreieckspannung«! mit annähernd der gleichen Frequenz liefern. Indem der Phasenunterschied zwischen den beiden erzeugten Dreieckspannungen gemessen und mit einem eingestellten Wert verglichen wird, kann eine Regelspannung erhalten werden, mit der einer der Dreieckgeneratoren in der Frequenz gesteuert und derart nachgeregelt werden kann, dass der gewünschte Phasenunterschied erhalten wird.

Die PhasendifferenzmesBung kann dabei z.B. mit Hilfe eines Synchrondetektors erfolgen. Dabei ergibt sich der Nachteil, dass die Information in bezug auf den Phasenunterschied erst nach einer Anzahl von Perioden der Dreieckspannung zur Verfügung kommt, weil das Aus^aagssignal des Synchrondetektors ausgemittelt werden muss, was z.B. mittels eines Tiefpasses erfolgt. Diese Wartezeit beeinträchtigt natürlich die Rege!geschwindigkeit des Systeas.

Eine zweite Möglichkeit zum Messen des Phasenunterschiedes zwischen den beiden Dreieckspannungen besteht darin, dass,der gegenseitige Abstand B.B. der Nulldurchginge der beiden Dreieckapannungen ■1t Hilfe eine· Detektion·- und Haltekreiee· geaessen wi*d. Auch in dieaen Falle muss eine Wartezeit gleich eindeetens einer Periode der Dreieckspannung berücksichtigt werden, bevor die Information zur Verf !Igung steht.

bei niedrigen Frequenzen (z.B. 0,001 Ht) der

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ORlQWAL INSPECTED

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Dreieckspannungen wird die bei den beschriebenen Phaseninessverfahren auftretende Wartezeit erheblich sein und wird die Regelgeschwindigkeit stark beeinträchtigt werden.

Die Erfindung bezweckt, eine Phasendifferenzmessvorrichtunc zu schaffen, die zu jedem gewünschten Zeitpunkt eine Information in bezug auf den Phasenunterschied zwischen zwei Signalen liefert, ohne dass Wartezeiten auftreten. Dabei beschränken sich die Anwendungsraöglichkeiten der Vorrichtung nach der Erfindung nicht auf Anwendung in einem Generator der obenbeschriebenen Art, sondern diese Vorrichtung kann allgemein für Phasenr.eijsungen verwendet werden.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine erste Schalteinheit enthält, die die Verbindung zwischen einer Spannungsquelle und einer Addiereinheit herstellt und die mittels eines Steuersignals zu Zeitpunkten geschaltet wird, die den steilen Flanken einer ersten und einer zweiten durch Transformation aus den Wechselspanr.ungssignalen erhaltenen Sägezahnspannung mit einem gleichen Spitze-Spitze-Wert entsprechen, derart, dass die Schalteinheit bein Erscheinen der steilen Flanke der ersten Sägezahnspannung geschlossen und beim Erscheinen der steilen Flanke der zweiten Sägezahnspannung geöffnet wird, wobei die Sp&nnungsquelle eine Gleichspannung entsprechend dem Spitze-Epitze-Wert der Sägezahnspannungen liefert und die Addiereinheit die Summe der ersten Sägezahnspannung und der über die Schalteinheit der Spannungsquelle entnommenen Spannung abzüglich der zweiten Sägezahnspannung erzeugt.

Die Umwandlung der beiden Wechselspannungssignale in Sägezahnspannungen kann dabei auf an sich bekannte Weise erfolgen. Eine Dreieckspannung kann z.B. in eine Sägezahnspannung umgewandelt werden, indem

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sie mit einer aus dieser Dreieckspannung abgeleiteten Rechteckspannung multipliziert wird. Eine sinusförmige Spannung kann z.B. mit Hilfe eines geeigneten Netzwerks zunächst in eine Dreieckspannung umgewandelt werden, wonach aus dieser Dreieckspannung wieder eine Sägezahnspannung abgeleitet werden kann. Bei der Umwandlung ist es nur erforderlich, dass die etwa auftretende Phasenverschiebung für die beiden Signale gleich ist und dass Sägezahnspannungen mit einem gleichen Spitze-Spitze-Wert erhalten werden. Weiterhin kann die Sägezahnspannung statt eines stetigen Verlaufes auch einen treppenförmigen Verlauf haben, z.B. wenn die beiden Signalen aus Impulsreihen bestehen, die einem Zähler zugeführt werden.

Einige Ausführungsfoemen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Phaeendifferenzmessvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 dabei auftretende Spannungeformen,

Fig. 3 eine erste Aueführungsform eines Dreieckfunktionsgenerators, mit dem mit Hilfe der Vorrichtung nach der Erfindung zwei Dreieckepannungen mit einem einstellbaren gegenseitigen Phasenunterschied erhalten werden können;

Fig. 4 eine Ausführungefora einer Multiplikationsschaltung, ait der eine Dreieckspannung in eine Sägezahnspannung umgewandelt werden kann)

Fig. 5 die dabei auftretenden Spannungsformen; Fig. 6 eine Ausführungeform einer Vergleichsschaltung ;

Fig· 7 eine Subtraktionsschaltung zur Anwendung in einer Vorrichtung nach der Erfindung; und

Fig. θ eine Schaltung, mit deren Hilfe eine Pegelverschie-

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bung der Sägezahnspannungen erzielt werden kann und die in der Vorrichtung nach der Erfindung auf die Weise angewandt werden kann, die an Hand einer zweiten Ausführungsform eines Dreieckfunktionsgenerators nach Fig. 9 beschrieben ist.

Die Weise, auf die das gewünschte, dem Phasenunterschied zwischen den beiden Wechselspannungen proportionale Signal erhalten wird, wird an Hand des Blockschaltbildes nach Fig. 1 und der zugehörigen in Fig. 2 dargestellten Spannungsformen näher erläutert.

Der Einfachheit halber wird angenommen, dass der Phasenunterschied zwischen zwei Wechselspannungen V₁ und V„ gleicher Frequenz bestimmt werden soll, wobei die Spannung V„ in bezug auf die Spannung V. nacheilt. Diese beiden Spannungen werden einer Transformationsschaltung T zugeführt, die die, Spannungen in zwei Sägezahnspannungen V! und V* mit einem gleichen Spitze-Spitze-Wert V_B umwandelt (siehe Fig. 2a), Diese Umwandlung kann auf bekannte Weise erfolgen, wie oben bereits angegeben wurde.

Nach der Erfindung enthält die Vorrichtung eine Schalteinheit, die in der Figur der Einfachheit halber als ein Schalter S dargestellt ist, aber die in Wirklichkeit eine elektronische Schalteinheit ist. Eine Klemme 1 dieses Schalters S ist mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, die eine Gleichspannung V_ liefert, die dem Spitze-Spitze-Wert der Sägezahnspannungen V' und V' entspricht.

Der Schalter S wird mittels einer Steuerspannung V_g gesteuert, .die mit Hilfe einer Detektionsschaltung A aus den beiden Sägezahnspannungen erhalten wird. Ee wird nun eine Spannung V^ an der Klemme 2 des Schalters S verlangt, die den in Fig. 2b dargestellten Verlauf aufweist, d.h. ein· rechteckfprmige Spannung mit einer Spannung V₅

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während des Zeitintervalle T und einer Spannung ο während des Zeitintervalls T_B, wobei die Zeitintervalle T_A und T_ß durch den Phasenunterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen V' und V' bestimmt werden.

Diese Zeitintervalle T und T , somit ein richtiges Schaltverhalten des Schalters S, können auf verschiedene Weise erhalten werden. So kann für die Detektionsschaltung 1 z.B. eine Vergleichsschaltung (ein Komparator) gewählt werden. Eine derartige Vergleichsschaltung liefert als Ausgangsspannung V„ eine von zwei diskreten Spannungen in Abhängigkeit von der Tatsache, ob die Sägezahnspannung V' grosser als die Sägezahnspannung V' ist, oder umgekehrt. Aus dem Verlauf der Sägezahnspannungen ist deutlich ersichtlich, dass während des Zeitintervalls T. die Sägezahnspannung V* kleiner als die Sägezahnspannung V' und während des Zeitintervalls T_Q grosser als die letztere Spannung ist. Die Vergleichsschaltung liefert also eine rechteckfSrmige Steuerspannung V_ für den Schalter mit den gewünschten Zeitintervallen T. und T . Indee der Schalter S derart eingerichtet wird, dass er beim Erscheinen der während des Zeitintervalls T. der Rechteckspannung V_c auftretenden Spannung geschlos-

A ο

sen und beim Erscheinen der zweiten Spannung geöffnet wird, wird an der Klemme 2 des Schalters die gewünschte rechteckfBrmige Spannung V' erhalten.

Statt der Vergleichsschaltung kann auch eine Schaltung Anwendung finden, die den Unterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen ermittelt. Wie aus dem Verlauf der Sägezahnspannungen ersichtlich ist, wird diese Differenzspannung gleichfalls rechteckförmig sein und

Zeitintervalle T. und T_ aufweisen. Der Pegel der beiden Spannungswerte

A ο

des reohteckfSradgen Signale ist nun jedoch von dem Phasenunterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen abhängig· eo dass Masenaheen ge-

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troffen werden Bollen, damit bei jedem Phasenunterschied dennoch eine befriedigende Schaltwirkung beibehalten wird.

Eine dritte Möglichkeit zum Erhalten einer geeigneten

Steuerspannung V_g besteht in der Differenzierung der Säge Zahnspannungen. Zum Auftrittszeitpunkt der steilen Planke einer Sägezahnspannung wird bei Differenzierung ein Nadelimpuls erhalten. Indem die Schalteinheit derart eingerichtet wird, dass sie beim Erscheinen eines von der Sägezahnspannung V' herrührenden Nadelimpulses geschlossen und beim Erscheinen eines von der Sägezahnspannung VI herrührenden Nadelimpulses geöffnet wird, wird wieder das gewünschte Schaltverhalten und somit die gewünschte Spannung V' erhalten.

Aus Obenstehendem geht hervor, dass die gewünschte Rechteckspannung V' mit den richtigen Zeitintervallen T. und T^ auf verschiedenen Wegen erhalten werden kann. Nach der Erfindung wird diese Rechteckspannung Vl einer Addiereinheit B zugeführt, der ausserdem die beiden Sägezahnspannungen V' und V' zugeführt werden, und zwar derart, dass an dem Ausgang dieser Addiereinheit ein Signal erscheint, das die arithmetische Sumne V' + V' - V' darstellt. Infolge dieser Schaltweise ist das Ausgangssignal der Addiereinheit B zu jedem beliebigen Zeitpunkt ein Hass für den Phasenunterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen V' und Vl und ist in dem Vorliegenden Fall - konstanter Phasenunterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen - eine konstante Spannung, was an Hand der in den Figuren 2c, d und e dargestellten Spannungsformen erläutert wird.

In Fig. 2c sind zunächst die beiden Sägezahnspannungen V' = und V· dargestellt. Es sei ferner angenommen, dass die Addiereinheit 13 zunächst eine Addierechaltung enthält, mit deren Hilfe die Summe der

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Spannungen Vj und V' erzeugt wird. Dies bedeutet, dass diese Summenspannung während des Zeitintervalls T gleich der ursprünglichen Sägezahnspannung V' und während des Zeitintervalls T gleich V' zuzüglich einer konstanten Spannung V- ist, die gleich dem Spitze-Spitze-Wert der Sägezahnspannungen ist. Durch diese Summation der Spannungen V! und V' wird also eine Sägezahnspannung mit einem in Fig. 2c durch die Strich-Punkt-Linie dargestellten Verlauf erhalten. Wie aus der Figur deutlich ersichtlich ist, ist diese Sägezahnspannung V' + V' mit der Sägezahnspannung V' in Phase, Der Unterschied zwischen der Spannung V' + V' und der Spannung V', der mit Hilfe einer zweiten Addierschaltung mit einem invertierenden Eingang erzeugt werden kann, ist demzufolge eine konstante Spannung wie in Fig. 2c schraffiert dargestellt ist, wobei diese Differenzspannung Δ V ein Mass für den Phasenunterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen V' und V' ist. Wie sich an Hand der Figur leicht erkennen lässt, entspricht diese Differenzspannung Δ V, für die gilt, dass 0<4 V-^V-, ist, einem Phasenunterschied yzwischen den beiden Sägezahnspannungen V' und V^ mit einem Wert 0° JL f <£ 360° .

Die arithmetische Summe V! + V' - V' kann auch dadurch erzeugt werden, dass zunächst von der Sägezahnspannung V· die Rechteckspannung V' subtrahiert und dann der Unterschied zwischen der Sägezahnspannung V' und der auf diese Weise erhaltenen Sägezahnspannung V' - V^ bestimmt wird, wie in Fig. 2d dargestellt ist. Dann wird wieder die konstante Spannung Δ V erhalten.

Schliesslich kann auch zunächst der Unterschied zwischen den Sägezahnspannungen V' und V' bestimmt werden, wie in Fig. 2e dargestellt ist. Dieser Unterschied ist wieder eine Rechteckspannung während des Zeitintervalls T_x, mit einem Spannungswert A V und während des Zeit-

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Intervalls T, mit einem Spannungswert 4 V - V_. Indem zu dieser Rechteckspannung die Rechteckspannung V' addiert wird, wird wieder eine konstante Spannung J^ V erhalten, und zwar V' +Vi-Vi.

Die letztere Möglichkeit zur Bestimmung der arithmetischen Summe V! + V· - Y' ist besonders wichtig für den Fall, dass die Detektionseinheit A bereits den Unterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen bestimmt. Diesem Unterschied braucht dann nur noch V' hinzugefügt zu werden, um die gewünschte Spannung /\T zu erhalten.

In Obenstehendem wurde angenommen, dass die beiden Sägezahnspannungen V· und V' die gleiche Frequenz aufweisen, so dass der Phasenunterschied konstant ist. Aus Obenstehendem ist jedoch ersichtlich, dass für den *'all, dass die beiden Sägezahnspannungen ungleiche Frequenzen aufweisen und sich der Phasenunterschied also ändert, mit Hilfe der Vorrichtung nach der Erfindung wieder eine Gleichspannung i\ V erhalten wird, die nun aber nicht mehr konstant ist, sondern die zu jedem Zeitpunkt ein Mass für den Phasenunterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen ist. Bei einem linearen Phasenverlauf zwischen den beiden Sägezahnspannungen ist A V eine Sägezahnspannung, die von 0 V zu V₅ variiert und eine Frequenz gleich dem Frequenzunterschied zwischen den beiden oägezahnspannungen aufweist.

Wie bereits erwähnt wurde, ist die Erfindung insbesondere von Nutzen in Dreieckgeneratoren, mit denen zwei Dreieckspannungen mit einem einstellbaren gegenseitigen Phasenunterschied erhalten werden Rollen, wie an Hand des in Fig. 5 gezeigten Blockschaltbildes auseinander gesetzt werden wird.

Der in diesem Blockschaltbild dargestellte Generator enthält zunächst zwei identische Dreieckgeneratoren G. und G₃, die z.B.

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von einem Typ sein können, wie er in "Electronic Engineering", Juni 1967, S. 388 und folgende, beschrieben ist. Die Frequenz der von diesen Dreieckgerieratoren gelieferten Dreieckspannungen kann mittels des Einstellpotentiometers P eingestellt werden.

Nach der Erfindung wird jede der von den Generatoren gelieferten Dreieckspannungen V und V₀ zunächst in eine Sägezahnspannung umgewandelt. Zu diesem Zweck können die Blockspannungen V... bzw. V,_o benutzt werden, die von den in den Dreieckgeneratoren vorhandenen Schmitt-Triggerschaltungen herrühren. Indem nämlich mit Hilfe von Multiplikationsschaltungen M. bzw. M₀ das Produkt der Spannungen V und V., bzw. V₀ und V erzeugt wird, werden Sägezahnspannungen erhalten, wie an Hand der Fig. 4 nachgewiesen wird. Jede der Multiplikationsschaltungen M. und Mp liefert zwei Sägezahnspannungen V' und V. bzw. V' und V , die in bezug aufeinander invers sind. Bei einer richtigen umwandlung der Dreieckspannungen in Sägezahnspannungen wird der Phasenunterschied zwischen den Sägezahnspannungen V' und V' gleich dem Phasenunterschied zwischen den Dreieckspannungen V. und V» sein. Aehnliches trifft natürlich auch für die inversen Sägezahnspannungen V. und V zu.

Nach der Erfindung wird, entsprechend dem Blockschaltbild nach Fig. 1, der Phasenunterschied zwischen den SägeZahnspannungen bestimmt. Dabei wird das Steuersignal V„ aus den Säge Zahnspannungen V' und V' erhalten, während die gewünschte Spannung Δ V mittels der Addiereinheiten B. und B₀ aus den Sägezahnspannungen V. und V und der Rechteckspannung V' erhalten wird. Da die inversen Sägezahnspannungen V und V

b Ic

benutzt werden, muss zum Erhalten der gewünschten Spannung A V die arithmetische Summe V₀ + V' - V₁ erzeugt werden. Natürlich kann die Spannung V auch wieder dadurch erzielt werden, dass die arithmetische Summe V' +

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VI - VI erzeugt wird.

Die auf diese Weise erhaltene Spannung ^ V wird einem

Differenzverstärker C zugeführt, dessen zweitem Eingang eine SparmungAV

zugeführt wird, die einem Einstellpotentioniet.er P entnommen wird, mit

dessen Hilfe der gewünschte Phasenunterschied zwischen den Dreieckspannungen eingestellt werden kann. Der Ausgang dieses Differenzverstärkers G liefert demzufolge ein Regelsignal V , das ein Mass für die Abweichung des augenblicklichen Phasenunterschiedes zwischen den Dreieckspannungen in bezug auf den gewünschten Phasenunterschiea ist. Dieses Regelsignal

V wird einer Regeleinheit zugeführt, die aus einem Verstärker D mit Rückkopplung besteht. Diese Regeleinheit soll nicht völlig integrierend sein, weil das System der Dreieckgeneratcren und der Phasendetektion an sich bereits wie ein Integrator wirkt, so dass in diesem Falle Gefahr vor Unstabilität auftreten würde. Im allgemeinen wird die Regeleinheit proportional-integrierend sein. Die Ausgangsspannung V dieser Regeleinheit wird einer Addierschaltung E zugeführt, der auscerdem die von dem Frequenz-Einstellpotentiometer F herrührende Spannung zugeführt wird.

Auf diese Weise wird also erreicht, dass die Frequenz des Generators G,. in Abhängigkeit von dem Regelsignal V nachgeregelt wird, bis der gewünschte Phasenunterschied zwischen den Dreieckspannungen V. und V„ erhalten ist. Wenn z.B. der Phasenunterschied zu gross ist, wird

V positiv sein, und die Frequenz des Generators G wird zunehmen. Durch Anwendung der Vorrichtung nach der Erfindung ergibt sich dabei der Vorteil, dass zu jedem Zeitpunkt eine Information in bezug auf den Phasenuntersohied zwischen den Dreieckspannungen vorhanden ist und keine Wartezeiten auftreten, so dass die Regelung also schnell erfolgen kann.

Es wird einleuchten, dass das Regelverhalten des ganzen

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Systems durch Aenderung der aus dem Verstärker D mit Rückkopplung bestehenden Regeleinheit geändert werden kann.

In den drei nachstehenden Figuren werden beispielsweise die möglichen Bauarten einiger Blockeinheiten nach Fig. 3 beschrieben.

Die Umwandlung der Dreieckspannungen in Sägezahnspannungen kann z.B. mit Hilfe einer Multiplikationsschaltung erfolgen, wie in Fig.4 dargestellt ist. Diese Multiplikationsschaltung ist auf allgemein übliche Weise aus sechs Transistoren T₄...T^, vier Widerständen R₄...R. und

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einer Stromquelle I aufgebaut. Die Basis-Elektroden der Transistoren

T₄. T. und Ί, sind geerdet, während angenommen wird, dass der Basis-14 ο

Elektrode des Transistors T die Dreieckspannung V (siehe Fig. 5a) zugeführt wird. Ferner wird angenommen, dass den Basis-Elektroden aer Transistoren T und T, die von der Schmitt-Kippschaltung des betreffenden .Dreieckgenerators herrührende Rechteckspannung V (siehe Fig. 5b) zugeführt wird. Ueber den Widerständen R, und R. erscheinen dann die Sägezahnspannungen V* und V , die invers in bezug aufeinander sind, wenn R, - R ist. Die Frequenz und der Spitze-Spitze-Wert dieser Sägezahnspannungen V' und V werden durch die Wahl der Widerstände R₁, R„, R, und R., der Stromquelle I und des Spitze-rSpitze-Wertes A. der Dreieckspannung

O ν

V bestimmt. Wenn R. ■= R_? und R, « R. ■ R ist, werden Sägezahnspannungen V· und V₄ erhalten, wie sie in Fig. 5° dargestellt sind. Diese Sägezahnspannungen weisen eine doppelt so grosse Frequenz wie die Dreieckspannung und den Spitze-Spitze-Wert;

^A = R-TT7^At

auf. Indem R₄ ungleich R_? gewählt wird, kann sichergestellt werden, dass die Flanken der Sägezahnspannungen, die einer ansteigenden bzw. abfallenden Flanke der Dreieckspannung entsprechen, entgegengesetzten Pegelver-

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Schiebungen unterworfen werden. Durch passende Wahl von R, und R_?, und zwar

P E ti

kann dann erreicht werden, dass die in Fig. 5^ dargestellten Sägezahnspannungen erhalten werden. Diese Sägezahnspannungen weisen die gleiche Frequenz wie die Dreieckspannung und einen Spitze-Spitze-Wert 2Δ auf. Der Phasenunterschied zwischen zwei auf diese V/eise aus zwei Dreieckspannungen erhaltenen Sagezahnspannungen entspricht also völlig dem Phasenunterschied zwischen den Dreieckspannungen.

Fig. 6 zeigt eine Vergleichsschaltung, mit deren Hilfe die Zeitintervalle T. und T_x, zweier z.B. auf obenstehende Weise erhaltener

A D

Sägezahnspannungen bestimmt werden können und mit deren Hilfe somit ein geeignetes Steuersignal für die Schalteinheit S der Vorrichtung nach der Erfindung erhalten werden kann. Diese Vergleichsschaltung enthält zwei als Differenzpaar geschaltete Transistoren T.„ und T , in deren Kollektorkreisen die Widerstände R₁₁ angeordnet sind. Wenn die Sägezahnspannungen V' und V· den Basis-Elektroden von T₁₁ bzw. T „ zugeführt werden, werden an den Ausgangsklemmen V~. und V„₂ Rechteckspannungen mit einer Amplitude I R₁₁ und Zeitintervallen T und T_x, erhalten, die durch den Phasenunterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen bestimmt werden und mit deren Hilfe also ein geeignetes Steuersignal für die Schalteinheit nach Fig. 3 erhalten ist.

Fig. 7 zeigt eine Schaltung, mit deren Hilfe z.B. der

Unterschied zwischen den beiden Sägezahnspamrangen V' + V' und V· (siehe Fig. 2c) bestimmt werden kann. Die Schaltung enthält zwei Transistoren T und T_??, deren Emitter über Widerstände R₂₁ mit einer Stromquelle I_?n verbunden und in deren Kollektorkreisen die Widerstände R₂₂ angeord-

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net sind. Die Spannung über einem dieser Widerstände R^-, ist dann zu

.\ V = V! + V' - V' proportional, so dass die gewünschte Spannung dem Fhasenunterschied zwischen den Sägezahnspannungen V' und V' proportional ist.

Fig. 8 zeigt eine Schaltung, mit deren Hilfe eine Pegelverschiebung der beiden Sägezahnspannungen V· und V· erzielt werden kann, wobei die Pegelverschiebungen der beiden Sägeζahnspannungen von der Einstellung des Potentiometers P abhängig sind. Wenn dieses Potentiometer sich in der mittleren Stellung befindet, sind die Pegelverschiebungen der beiden Sägezahnspannungen einander gleich, während in den äusseren Stellungen des Potentiometers die Pegelverschiebungen der beiden Sägezahnspannungen einen maximalen gegenseitigen Unterschied aufweisen werden. Dies ist wichtig für die Bestimmung des Zeitintervalls T z.B. mit Hilfe einer Vergleichsschaltung. Wenn der Phasenunterschied zwischen den Sägezahnspannungen besonders klein ist oder einem Wert von 360° sehr nahe liegt, liegen die Sägezahnspannungen sehr nahe beieinander, so dass es schwierig ist, mit Hilfe der Vergleichsschaltung das Zeitintervall T zu bestimmen. Dadurch, dass das Potentiometer P mit dem Phaseneinstellpotentiometer P gekoppelt wird, lässt sich erreichen, dass bei diesen genann-

ten Phasenunterschieden die beiden Sägezahnspannungen verschiedenen Pegelverschiebungen unterworfen werden und also weiter voneinander entfernt werden. Dabei kann selbstverständlich auch direkt das Einstellpotentiometer P zur Einstellung der Pegelverschiebungsschaltung verwendet werden, c

In Verbindung mit dieser Pegelverschiebung kann die Vorrichtung nach der Erfindung derart erweitert werden, dass auch Phasenunterschiede ausserhalb des Intervalls 0 - 360° einstellbar und messbar sind. Dabei ist es natürlich erwünscht, dass sich die Messkennlinie fort-

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setzt, d.h., dass die Spannung & V für Pkaserranterschieie von weniger el 3 0° einen negativen V/ert bekommt und für Phasen^nterschiede oberhalb ?tO° gleich 2A + Δ V ist, wobei /\ V eine Spannung ist, die dem Phasenunterschied über 3tO° entspricht.

Die Messung des Phasenunterschiedes kann dabei auf die in Fj f-, 9 angegebene Weise erfolgen. Wenn angenommen wird, dass ein Phasenunterschied von weniger als 0° mit dem Einstellpotentioineter P^ eingestellt worden ist, bedeutet -lies, dass die beiden Sägezahnspannung^ V' und V' in der Pegelverschiebungsschaltung L derart verschiedenen Pegelverschiebungen unterwerfer werden_s dass die beiden Sägezahnspannungen 7 und V₁₂ keine Schnittpunkte mehr aufweisen. Dies bedeutet, dass die Vergleichsschaltung A., der diese Spannungen zugeführt werden, keine Rechteckspannung von +_ KuIl mehr, sondern eir.e schwankende Spannung mit ptets dem gleichen Vorzeichen abgeben wird. Es sei angenommen, dass das Vorzeichen dieser Spannung derartig ist, dass der Schalter S₁ stets geöffnet ist. Eies bedeutet, dass in der Addierscr.a2.tunf: E. der Spannung 7„ nichts zugesetzt wird. (ν_σ = 0).

Von der Ausgangsspannung V₀ dieser Addierschaltung B wird nun die Spannung V, mit Hilfe der Addierschaltung B subtrahiert. Zu gleicher Zeit werden diese Spannungen aber einer zweiten Vergleichsschaltung A, zugeführt, -^a V und V₀ nun auf dem gleichen Pegel liegen und ausser Phase sind, ist die Äusgangsspar.nung von A„ eine Rechteckspannung vcr. +_ Null. Mit Hilfe dieser Rechteckspannung wird ein zweiter Schalter S_? gesteuert, der wieder mit einer Speise quelle V^, verrunden ist. Mit Hilfe einer Addier schaltung 3, wird schliesslich von der vor. der Addiercchaltung B_? herrührenden Spannung die von diesem Schalter 3_? herrührende Rechteckspannung subtrahiert, wodurch wieder eine Gleich-

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spannung /) V erhalten wird, die dem Phasenunterschied proportional ist.

Es dürfte einleuchten, dass bei Phasenunterschieder. zwischen O und 360° der Schalter S nicht wirksam ist, weil in diese- Falle riie von der Addierschaltung B₁ herrührende Spannung V + VJI, nit der Spannung V in Phase ist und die Vergleichsschaltung derart eingerichtet ist, dass in diesem Falle der Schalter S„ stets geöffnet ist.

Naturgemäss kann die Phasenmarge auch dadurch vergrössert werden, dass die Sägezahnspannungen mit Hilfe einer zusätzlichen Teilerschaltung noch in der Frequenz geteilt werden, ohne dass irgendwelche Aenderungen an der Schaltung nach Fig. 3 vorgenommen zu werden brauchen. Wenn die Frequenz z.B. halbiert wird, entspricht eine Phasenmarge von 360° der Sägezahnspannungen einer Phasenmarge von 72O°C der Dreieckspannungen.

Um insbesondere bei niedrigen Frequenzen eine schnelle Regelung zu erzielen, kann die Schaltung auf die in Fig. 9 angegebene Weise erweitert werden. Diese Erweiterung enthält zunächst eine Vergleichsschaltung A,., deren Aus gangs spannung ein Tor P betätigt. Einem der Eingänge dieser Vergleichsschaltung A, wird ein über ein RC-Netzwerk von der Phasenbezugsspannung /XV herrührendes Signal zugeführt. Durch diese Schaltweise wird erreicht, dass bei Einstelländerungen des Phaseneinstellpotentioneters P das Tor P während einer gewissen Periode geöffnet wird. Während dieser Periode wird dann ein von einer Vergleichsschaltung A herrührendes Signal an e:.nen Schalter S, weitergeleitet. Dieses von der Vergleichsschaltung A herrührende Signal ist, je.nach dem Vorzeichen der Regelspannung V , positiv oder negativ. Infolgedessen wird während der erwähnten Periode der Schalter S, mit dem Generator G. oder mit dem Generator G„ verbunden, wodurch der betreffende Generator

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ORKälNAL

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schnell mit Hilfe der Stromquelle I in ier Frequenz r.acr.jji--regel* .vird. Auf diese Weise wird der Phasenunterschied also schnell auf nahezu der. verlangten Wert eingeregelt, wonach die proportional-integrierende Tiegeleinheit weiter nachgeregelt wird, Selbstverständlich kann auch nur einer der Generatoren schnell nachgeregelt werden, indem zwei Stromquellen mit entgegengesetzten Strömen verwendet werden, die mittels eines Schalters S₇ geschaltet werden.

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Claims

-Ίβ· ΡΚΪΙ.

PATENTANSPRÜCHE :

Π.) Vorrichtung zum Erhalten eines dem Phasenunterschied zwischen zwei Vechselspan.nungssignalen proportionalen Signals, z.B. zum Synchronisieren eines Signals in bezug auf das andere, dadurch gekennzeichnet, aass die Vorrichtung eine erste Schalteinheit (S) enthalt, die die Verbindung zwischen einer Spannungsquelle (V ) und einer Addiereinheit (B) herstellt und die mittels eines Steuersignals zu Zeitpunkten geschaltet wird, die den steilen Flanken einer ersten und einer zweiten durch Transformation aus den Wechselspannungssignalen erhaltenen Sägezahnspannung mit einem gleichen Spitze-Spitze-Wert entsprechen, derart, dass die Schalteinheit (S) beim Erscheinen der steilen Planke der ersten Sägezahnspannung geschlossen und beim Erscheinen der steilen Planke der zweiten Sägezahnspannung geöffnet wird, wobei die Spannungsquelle (V₁,) eine GIe kiispannung liefert, die dem Spitze-Spitze-Wert der Sägezahnspannungen entspricht, und wobei die Addiereinheit (B) die Summe der ersten Sägezahnspannung und der über die Schalteinheit (S) der Spannungsquelle (V_) entnommenen Spannung abzüglich der zweiten Sägezahnspannung erzeugt. (Fig.1)

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal für die Schalteinheit (S) durch das Ausgangssignal einer ersten Vergleichsschaltung gebildet wird, deren Eingängen die beiden Sägezahnspannungen zugeführt werden und deren Ausgangssignal einen von zwei diskreten Signalwerten aufweist, abhängig davon, welche der beiden Sägezahnspannungen augenblicklich den höchsten Wert aufweist.

3. Einrichtung zum Erzeugen zweier Breieckspannungen mit einem einstellbaren gegenseitigen Phasenunterschied mit Hilfe zweier Dreieckgeneratoren, die eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 enthält, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden erzeugten Dreieckspannungen (V^, V₂)

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in eine Sägezahnspannung (V', V') umgewandelt wird, indem sie mit einer er Kippschaltung des betreffenden Dreieckgenerators (G₁,G„) her

rührenden nechteckspannung (v~ .. ,V. _?) multipliziert wird, und dass das ien Phasenunterschied zwischen den Sägezahnspannungen proportionale ei er al (/ V) mit einem eingestellten Wert (^V^j für den Phasenunterschied verglichen und das Fehlersignal (V ) als Frequenz-Steuersignal einem der Dreieckgeneratoren zugeführt wird» (Fig. 3)

Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal (V ) über eine proportional-integrierende Regeleinheit (D) einem der Dreieckgeneratoren zugeführt wird. (Fig. 3)

5. Vorrichtung nach Anspruch J oder 4» bei der das Steuersigna] für· die Schalteinheit mit Hilfe einer Vergleichsschaltung erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sägezahrspannungen (V', VI₁) den Einta π ge η der Vergleiche schaltung (A₁) über eine Pegelverschiebungsschal tui._f. (I.) zugeführt werden, wodurch jede der Sägezahnspannungen einer Pe gelverschiebung unterworfen wird, welche Verschiebungen bei einem eingestellten Wert für den Phasenunterschiec von 180° einander praktisch gleich sind und sich bei von 180° abweichenden eingestellten Werten gegensinnig ändern. (Fig. 3)

6. Vorrichtung nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, dass die Pegelverschiebungsschaltung zwei Transistoren (T3I, Τ32) enthält, aeren Emitter über Widerstände (R32) mit einer Stromquelle (IJO) verbunden und in aeren Kollektorkreisen Widerstände (R3O angeordnet sind, wobei den von den Kollektoren abgekehrten Seiten dieser Widerstände die Sägezahnspannungen (V', V') zugeführt und die einer Pegelverschiebung unterworfenen Sägezahnspannungen (V₁., V „) den diesen Kollektoren zugekehrten Seiten der Widerstände (Ri₁) entnommen werden, während die Basis-

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Elektrode eines der Transistoren mit einem Punkt festen Potentials verbunden ist und der Basis-Elektrode, des anderen Transistors eine Spannung zugeführt wird, die von dem eingestellten Wert des Phasenunterschiedes abhängig ist. (Fig. θ)

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass, damit Phasenunterschiede zwischen den Sägezahnspannungen ausserhalb des Intervalls 0 - 360° gemessen werden können, die Vorrichtung eine zweite Schalteinheit (S„) enthält, die ein derartiges Steuersignal empfängt, dass diese zweite Schalteinheit beim Erscheinen der steilen Flanke der zweiten Sägezahnspannung geschlossen -nd beim Erscheinen der steilen Flanke der ersten Sägezahnspannung geöffnet wird, wobei diese zweite Schalteinheit wieder mit einer Spannungsquelle (V^) verbunden ist, die eine Gleichspannung entsprechend dem Spitze-Spitze-Wert der Sägezahnspannungen liefert, und wobei die über die zweite Schalteinheit erhaltene Spannung in negativem Sinne der Addiereinheit zugeführt wird, während die PegelverfichiebungEschaltung (L) derart eingerichtet ist, dass bei eingestellten Werten des Phasenunterschiedes ausserhalb des Intervalls 0 - 360° die einer Pegelvefschiebung unterworfenen Sägezahnspannungen (V ., V. ) keine Schnittpunkte miteinander mehr aufweisen. (Fig. 9)

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 41 dadurch gekennzeichnet, dass die Multiplikationssche^ltung derart eingerichtet ist, dass Sägezahnspannungen mit einer Frequenz erhalten werden, die gleich der Hälfte der Frequenz der Lreieckspannungen ist.

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