DE2310725A1

DE2310725A1 - Digitales voltmeter

Info

Publication number: DE2310725A1
Application number: DE19732310725
Authority: DE
Inventors: Jean Ritzenthaler
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1972-03-09
Filing date: 1973-03-03
Publication date: 1973-09-20
Also published as: US3794916A

Description

Die Erfindung betrifft ein digitales Voltmeter mit einer Zähleinrichtung.

Die zur Zeit in digitalen Voltmetern verwendeten Einrichtungen zum Umsetzen einer Spannung in eine Zeit können in zwei Gruppen unterteilt werden. Die erste Gruppe verwendet eine Spannungsrampe, welche von einem bekannten Pegel ausgeht und bis zum Erreichen der gemessenen Spannung ansteigt. Falls die Neigung der Rampe konstant ist, ist die zwischen dem Erreichen des Meßwertes und einem Grundoder Nullpegel vergangene Zeitspanne proportional der gemessenen Spannung. Die verstrichene Zeitspanne kann mittels eines Zuges von Impulsen gemessen werden, die zur digitalen Anzeige gezählt werden, wobei die Zählstufe proportional dem Pegel der gemessenen Spannung ist.

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Die Rampe kann auch als Treppenkurve verlaufen. Wenn die treppenförmige Rampenkurve die zu messende Spannung erreicht, ist die Anzahl der Stufen der Rampe ein direktes Maß für die Spannung und kann zur digitalen Anzeige verwendet werden.

Die zweite Gruppe von digitalen Voltmetern verwendet Potentiometer- und/oder Integrationstechniken. Die zu messende Spannung wird in einem Komparator entweder durch einen Impulszug mit einer geeichten Spannungs-Zeitflache oder durch vorzugsweise in BCD-Stufen abgestufte Spannungsquellen kompensiert werden.

Beispielsweise wird die zu messende Spannung mit Spannungsquellen kompensiert, die in Stufen geschaltet werden, bis ein Detektor den Kompensationszustand der Spannungen erfaßt. Bei einer Auflösung von einem Tausendstel werden für die BCD-Kodierung dreizehn Spannungsquellen benötigt.

Offensichtlich erfordern alle diese Techniken komplexe Schaltungen. Außerdem können in keinem Fall Spannungen mit verschiedenen Polaritäten umgesetzt werden. Wenn positive und negative Spannungen gemessen werden sollen, ist mit dem Polaritätsdetektor in der Schaltung eine Spannungsumpoleinrichtung verbunden. Auch sind diese Meßeinrichtungen mehr oder weniger empfindlich gegenüber dem der zu messenden

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Spannung überlagerten Rauschen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde/ ein digitales Voltmeter zu schaffen, das bei Vermeidung der genannten Nachteile einfach aufgebaut ist und dennoch relativ genau arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem digitalen Voltmeter mit einer Zähleinrichtung dadurch gelöst, daB eine Stromquelle ein Eingangs-Gleichspannungssignal in einen von diesem linear abhängigen Stromwert umwandelt, die Stromquelle eine Einrichtung aufweist, die einen Leerlaufstrom bei einem Nullwert der Eingangsgleichspannung abgibt und ein Umsetzer den Strom in eine Reihe von Impulsen umsetzt, deren Frequenz proportional dem Wert des Stromes ist.

Das Voltmeter nach der Erfindung kann eine Stromquelle zum Umformen der Eingangsgleichspannung in einen Strom mit einer Amplitude aufweisen, der proportional der Eingangsspannung ist, wobei eine Einrichtung diesen Strom in eine proportionale Spannung umformt und ein durch eine Spannung gesteuerter Oszillator eine veränderbare Frequenz in der Form eines Impulszuges mit einer dieser Spannung proportionalen Frequenz abgibt. Es kann dann ein Binärzähler verwendet werden, der die Impulse zählt und die Zählstufe auf der Anzeigeeinrichtung als einen Wert in Volt speichert. ,

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-A-

Bei einer Ausfuhrungsform erzeugt jede Spannungsstufe von +10 mV eine Zunahme von 1 Hz in einem spannungsgesteuerten Oszillator, wobei der'Impulsausgang des Oszillators den Bereich von 1 000 Hz bei 0 V bis 2 OOO Hz bei 10 V überdeckt. Diese Ausgangsimpulse werden in einem Binärzähler gezählt und dann auf einer Anzeigeeinrichtung registriert. Es ist dafür gesorgt, daß die Zählstufe für das Zweitausendstel bei 2 000 Hz in 1 umgewandelt wird, damit 10,00 V angezeigt wird.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann das Voltmeter sowohl positive als auch negative Eingangsgleichspannungen messen, wobei die Impulsfrequenz des Oszillators von einer vorbestimmten Impulsfrequenz bei zunehmenden positiven Spannungen zunimmt und von der vorbestimmten Impulsfrequenz mit zunehmenden negativen Spannungen abnimmt. Es ist vorgesehen, daß die abnehmende Impulsfrequenz in eine zunehmende Zählstufe umgewandelt wird und ein Signal erzeugt wird, welches das positive oder negative Potential der Eingangsspannung anzeigt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; es stellen dar Fig. 1 ein Diagramm einer Ausführungsform eines digitalen Voltmeters, welches positive Spannungen im Bereich von 0 bis IO V messen kann;

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Fig. 2 ein Diagramm einer anderen Ausfuhrungsform der

Erfindung, welches positive und negative Spannungen messen kann.

Gemäß Fig. 1 wird die zu messende Spannung einem Widerstand Rl im Emitterkreis des Transistors Ql der Konstantstromquelle zugeführt. Die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung weist Widerstände R2 und R3 auf und das Potentiometer R4 ergibt eine Vorspannung für die Basis des Transistors Ql. Der in dem Kollektorkreis des Transistors Ql fließende Strom ist eine lineare Funktion der über die Eingangsklemmen 11 und 12 zugeführten Eingangsspannung und dient dazu, den Kondensator Cl in einer Kippstufe mit Transistoren Q2 und Q3 aufzuladen.

Wenn der Kondensator Cl einen vorbestimmten Ladungswert erreicht, gehen die Transistoren Q2 und Q3 in den leitenden Zustand über und bewirken, daß der Kondensator Cl entladen wird und einen scharfen positiven Impuls bei R5 abgibt. Der Kondensator Cl wird dann wieder auf den vorbestimmten Wert aufgeladen und bei diesem Zeitpunkt bewirken die Transistoren Q2 und Q3, daß er entladen wird und einen zweiten scharfen Impuls abgibt. Daher wird eine Reihe genau definierter Impulse erzeugt und die Frequenz dieser Impulse hängt von der Zeitspanne ab, die erforderlich ist, damit der Kondensator Cl auf den vorbestimmten Spannungspegel aufgeladen wird. Da diese Zeitspanne proportional dem Strom von der Strom-

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quelle Ql ist und diese wiederum linear von der Eingangsspannung abhängt, ist die Impulsfrequenz proportional der Eingangsspannung.

Wenn die Eingangsspannung auf Null eingestellt ist, ist der Widerstand des Potentiometers R4 so eingestellt, daß er einen Leerlaufstrom vom Transistor Ql abgibt, um die Ausgangsfrequenz auf 1 OOO Impulse pro Sekunde einzustellen. Bei der dargestellten Schaltung erzeugt jede Stufe von +10 mV der Eingangsspannung eine Zunahme in der Impulsfrequenz von 1 Hz, um eine Zunahme von 1 000 Hz und daher eine Gesamtimpulsfrequenz von 2 000 Hz für 10 Volt Eingangsspannung zu ergeben.

Die erzeugten Impulse werden einem Binärzähler mit 3 BCD-Stufen 13, 14 und 15 zugeführt, und jede Stufe ist über Zwischenspeicher 16, 17 und 13 und Dekodierer 21, 22 und 23 mit zugeordneten digitalen Anzeigevorrichtungen 24, 25 und 26, beispielsweise Nixie-Röhren verbunden.

Da die Ausgangsimpulsfrequenz bei einer Eingangsspannung von O V auf 1 000 Hz eingestellt wird, wird dafür gesorgt, daß die Zehnerstellen-Anzeige 27 auf Mull eingestellt wird, während normalerweise eine 1 angezeigt würde, um eine Ablesung von 10.00 V zu ergeben. Dies erfolgt über eine Kippstufe FFl, die bei einem Eingangssignal vom Zähler 15 bei 1 000 Impulsen einen Logikpegel L abgibt,

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der die Ziffer O der Zehneranzeige 27 einschaltet. Der Ausgang Q der Kippstufe FF2 hat den Logikpegel "O" und die Ziffer 1 in der Zehneranzeige erlischt.

Wenn die Eingangsspannung ansteigt, nimmt die digitale Anzeige um eine Zählstelle bei jedem Impuls zu, d.h. sie nimmt bei jeweils 10 mV zu, so daß bei 9.99 V die Digitalanzeige 09.99 beträgt. Wenn die Eingangsspannung 10.00 V erreicht, ergibt die Zählstufe für 2 000 Impulse im Zähler 15 ein zweites Eingangssignal für die Kippstufe FFl, so daß am Ausgang Q ein Logikpegel "0" erscheint, um die Ziffer null in der Zehneranzeige zu löschen. Durch die Kippstufe FF2 wird ein Logikpegel "L" am Ausgang Q erzeugt, so daß die Ziffer eins in der Zehneranzeige eingeschaltet wird, so daß sich eine Anzeige 10.00 ergibt.

Die Schaltung ist so ausgelegt, daß sie für eine geeignete Zeitspanne, beispielsweise eine Sekunde zählt, so daß die Zähler ihre Zählstufe einmal pro Sekunde an die Speicherund Anzeigeeinrichtung übertragen und in ungefähr 1 \is zurückgestellt werden, um die nächste Zählung zu beginnen.

Wenn die Nulleinstellung nicht korrekt erfolgt ist, so daß die Ausgangsimpulsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators unter 1000 Hz, beispielsweise bei 999 Hz liegt, würde der Zähler eine hohe Spannung, in diesem Beispiel

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9.99 anzeigen. Wenn jedoch die Zählung unter 1 OOO liegt, haben die Ausgänge Q¹ der beiden Kippstufen FFl und FF2 den Logikpegel "L" und das UND-Gatter 28 schaltet die drei Transistoren Q4, Q5 und Q6 ein, um die Ziffern null in den Stellen für die Einheiten, die Zehntel und die Hundertstel in den Anzeigeröhren sowie die gewöhnlich erleuchteten Ziffern zu erhellen. Dieses überlappende Aufleuchten einer Ziffer signalisiert der Bedienungsperson, daß die Nullpunkt-Einstellung fehlerhaft ist.

Gemäß Fig. 2 wird die an die Eingangsklemmen 31 und 32 übertragene Eingangsspannung an die Stromquelle Q7 über einen Bereichswähler 33 und einen Impedanzwandler 34 übertragen, der die niedrige Impedanz der Stromquelle auf die im allgemeinen hohe Impedanz der gemessenen Schaltung abstimmt. Der Leerlaufstrom der Stromquelle Q7, der an den Kondensator Cl übertragen wird, wird durch ein Potentiometer R6 derart eingestellt, daß er eine Ausgangsimpulsfrequenz am Widerstand R7 der Kippstufe Q8, Q9 von 2 000 Hz bei der Eingangsspannung 0 abgibt und diese Impulse werden

Transistor
über denTQll¹ an die im herkömmlichen BCD-Kode zählenden Zähler 35, 36 und 37 übertragen. Die in diesen gespeicherte Zählstufe wird durch die herkömmliche Zähltechnik über Speicherstufen 38, 39 und 41 und Dezimaldekodierer 42, 43 und 44 an die angeschlossenen drei Anzeigeröhren 45, 46 und 47 übertragen.

Bei dieser Ausführungsform ist für die Tausendstel keine

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Anzeigestelle vorgesehen» so daß die Anzeige 0.00 aber nicht 20.00 angibtf daher ergibt die Anzeige 0.00 bei der Leerlaufetrom-Impulsfrequenz von 2 000 bei 0 V Eingangsspannung. Bei jedem Sprung um +10 mV am Eingang nimmt die Impulsfrequenz um 1 Hz zu und erreicht 2 999 Hx bei einer Eingangsspannung von 9.99 V, was eine Anzeige von 9.99 ergibt. Bei der nächsten Stufe von + 10 mV 1st die Impulsfrequenz 3 000 und die Anzeige ergibt 0.00.

Wenn die Eingangsspannung negativ wird, beginnt der Transistor QlO zu leiten und vermindert den Leerlaufstrom des Transistors Q7, so daß die Impulsfrequenz um 1 Hz für jeweils - 10 mV am Eingang abnimmt. Eine Eingangsspannung von - 10 V fuhrt zu einer Impulsfrequenz von 999 Hz. Drei Dekodierer 48, 49 und 51 für Neuner-Komplemente werden verwendet, durch welche die Anzeigerohren jeweils eine Ziffer weiter zählen, wenn die Eingangsspannung um 10 mV abnimmt.

Die Anzeigelogik für diese Ausfuhrungsform ergibt sich aus der folgenden Tabelle:

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- IC -

Eingangs spannung V	Oszillator frequenz Hz	000	Komplement Vorzeichen von 9	000	Anzeige
+10.00	3	999	überlast	001	O.OO
+ 9.99	2	500	+	005	9.99
+ 5.00	2	101	+	010	5.OO
+ 1.01	2	050	+	050	1.Ol
+ 0.50	2	010	+	101	0.50
+ 0.10	2	005	+	500	0.10
+ 0.05	2	001	+	999	0.05
+ 0.01	2	000	+	000 überlast	0.01
+ O.OO	2	999*	+	O.OO
- 0.00	1	998	O.OO
- 0.01	1	994	O.Ol
- 0.05	1	989	O.O5
- 0.10	1	949	O. IO
- 0.50	1	898	0.50
- 1.01	1	499	1.01
- 5.00	1	000	5.00
- 9.99	1	999	9.99
-10.00	O	O.OO

Wenn die Eingangsspannung negativ wird, wird der Oszillator um 1 Ha herabgeschaltet.

Es wird eine spezielle Dekodierschaltung verwendet, um die Bedienungsperson darüber zu unterrichten, daß das Gerät positive Spannungen, negative Spannungen und die überlast-

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bedingung, d.h. 10.00 V oder - 10.OO V oder mehr mißt. Wenn die Eingangsspannung null ist oder positiv wird, ist die Impulsfrequenz 2 000 Hz oder höher und die Ziffer für die Tausendstel ist eine 2, wodurch die Kippstufe FF3 veranlaßt wird, einen Logikpegel "0" am Ausgang Q (A) abzugeben. Zu diesem Zeitpunkt tritt am Ausgang Q (B) der Kippstufe FF4 ein Logiksignal "L" auf und die logische Gleichung BA ist erfüllt und das NAND-Gatter 52 bewirkt wiederum, daß die Signallampe 53 "positiv" anzeigt. Der Transistor QIl wird abgeschaltet und der Transistor Q12 eingeschaltet, und er verbindet eine Klemme für +5 V mit den drei Dezimaldekodiereren 42 bis 44, so daß die drei Anzeigeröhren 45 bis 47 aufwärts zählen, wenn die Impulsfrequenz von 2 000 bis 2 999 Hz zunimmt.

Wenn die Impulsfrequenz unter 2 000 Hz während einer negativen Eingangsspannungsmessung fällt, ist die Ziffer für die Tausendstel eine Eins und die Kippstufen FF3 und FF4 haben Betriebszustände, welche die logische Gleichung AB erfüllen. Das NAND-Gatter 54 betätigt die "negativ" Signallampe 55 und der Transistor Q13 wird abgeschaltet, während der Transistor Q14 eingeschaltet wird und die Klemme für +5 V mit den Dekodierern 48 bis 51 zur Bildung des Komplementes von 9 verbindet. Die Anzeigeröhren werden nun pro Impuls eine Ziffer aufwärts zählen, wenn die Impulsfrequenz von 2 000 Hz auf 1 000 Hz abnimmt.

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Falls die Impulsfrequenz unter 1 000 Hz oder über 2 999 Hz entsprechend einer Eingangsspannung von -9.99 V oder +9.99V fällt bzw. steigt (bei einem Eingangsbereich von IO V) bewirkt die spezielle Dekodierschaltung, daß die Gleichung AB + AB erfüllt wird und die Überlastlampe 56 zeigt der Bedienungsperson diesen Zustand weiterhin an. In diesem Zustand sind die Transistoren Q12 und Q14 abgeschaltet und die Klemme für +5 V ist von den Dezimaldekodierern und den Dekodierern zur Bildung des Komplementes von 9 getrennt, so daß die Anzeigevorrichtung nichts anzeigt.

Es ist eine einfache Schaltung zur Abgabe einer Zählperiode von einer Sekunde dargestellt, die aus einer Leitung 61 für 60 Hz betätigt wird. Das Signal 60 Hz wird zunächst durch 6 in einer Schaltung 62 und dann in einer Schaltung 63 durch 10 geteilt, so daß ein Signal mit 1 Hz pro Sekunde an den Univibrator 64 abgegeben wird, wodurch die herkömmlichen Rückstellsignale über die Transistoren Q15 und Q16 an die spezielle Dekodierschaltung und die BCD-Zähler jeweils einmal pro Sekunde abgegeben werden.

Es sei angemerkt, daß der Zähler kein Gatter hat; er zählt die Impulse über eine Dauer von einer Sekunde, wird innerhalb einer Mikrosekunde zurückgestellt und zählt dann wieder von neuem. Das kürzeste zu messende Zeitintervall beträgt 0.33 ms bei 3 000 Hz und durch die Rückstellzeit von einer Mikrosekunde wird daher keine Zählstufe unterdrückt.

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Diese Einrichtung mißt sowohl positive als auch negative Spannungen ohne Umschaltvorgänge in der analogen Schaltung. Wie bei der Schaltung nach Fig. 1 wird das Rauschen integriert und in dem spannungsgesteuerten Oszillator zur digitalen Umwandlung eliminiert und deshalb sind die Einrichtungen der Fig. 1 und der Fig. 2 einfach und billig jedoch genau in Anbetracht dieser Klasse von Instrumenten.

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Claims

Hewlett-Packard Company
Case 711

28. Februar 1973

Patentansprüche

Digitales Voltmeter mit einer Zähleinrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß eine Stromquelle (Ql) ein EingangsgIeichspannungssignal in einen von diesem linear abhängigen Stromwert umwandelt, die Stromquelle eine Einrichtung (R4) aufweist, die einen Leerlaufstrom bei einem Nullwert der Eingangsgleichspannung abgibt und ein Umsetzer (Q2, Q3) den Strom in eine Reihe von Impulsen umsetzt, deren Frequenz proportional dem Wert des Stromes ist.

2. Voltmeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daft der Leerlaufstrom auf einen Wert eingestellt ist, der eine Auegangsfrequenz vom Umsetzer mit einem von null verschiedenen Wert erieugt, welcher in einer Stelle gerad zahlig ist, welche eine niedrigere Wertigkeit als die ange zeigte Stelle »it niedrigster Wertigkeit hat und eine Schaltung PFl) eine Anzeige null in der Anzeigevorrichtung bewirkt.

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.3. Voltmeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzer einen Impulsgenerator aufweist, der eine Reihe Ausgangssignale erzeugt und eine auf den Strom ansprechende Einrichtung enthält, die mit der Stromquelle verbunden ist, auf deren Strom anspricht und die Impulsfrequez des Impulsgenerators steuert.

4. Voltmeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Strom ansprechende Einrichtung eine Kondensatorschaltung mit einer Aufladezeit aufweist, die proportional dem Stromwert ist und die Impulsfrequenz proportional der Aufladezeit des Kondensators ist.

5. Voltmeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle einen Leerlaufstrom bei einem Eingangssignal null abgibt und der Impulsgenerator eine vorbestimmte Impulsfrequenz erzeugt und bei einem negativen Eingangssignal den Ausgangsstrom und dadurch die Frequenz der Impulse vermindert.

6. Voltmeter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (FFl) zur Abgabe einer Anzeige null für die vorbestimmte Ausgangsfrequenz die Zufuhr einer digitalen Zählstufe auf der Anzeigevorrichtung bei einer Impulsfrequenz speichert, die entweder gegenüber der vorbestimmten Ausgangsfrequenz zunimmt oder abnimmt.

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- ie -

7. Voltmeter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung zum Speichern einer zusätzlichen digitalen Zählstufe auf der Anzeigevorrichtung während abnehmender Impulsfrequenzen eine Einrichtung (21, 22, 23) zur Bildung des Komplements von 9 aufweist, die zwischen der Zählschaltung und der Anzeigeeinrichtung zwischengeschaltet ist.

8. Voltmeter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß eine Signaleinrichtung (Q7, FF3, 53, 55) vorgesehen ist, die eine Anzeigezählstufe auf Grund einer zunehmenden Impulsfrequenz im Vergleich zu der vorbestimmten Impulsfrequenz von einer solchen Anzeigezählstufe unterscheidet, die einer abnehmenden Impulsfrequenz im Vergleich zu der vorbestimmten Impulsfrequenz entspricht.

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