DE2406061A1

DE2406061A1 - Effektivwertmesser

Info

Publication number: DE2406061A1
Application number: DE19742406061
Authority: DE
Inventors: David William Allen; Hideki Iwata
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1973-02-13
Filing date: 1974-02-08
Publication date: 1974-08-22
Also published as: GB1433581A; NL7401633A; FR2217699A1; JPS5535575Y2; CA1008129A; US3840813A; JPS54149879U; JPS5041584A

Description

DIPL-ING. KLAUS NEUBECKER 2406081

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Düsseldorf, 7. Febr. 19 74

Tektronix, Inc.

Beaverton, Oregon, V. St, A.

Effektivwertmesser

Diese Erfindung betrifft einen Effektivwertmesser, welchem ein einfaches oder zusammengesetztes Eingangssignal zugeführt wird und welcher aus diesem eine Ausgangsgleichspannung ableitet, die proportional dem genauen Effektivwert des Eingangssignales ist.

Die bekannten Einrichtungen zum Messen des Effektivwertes sind insofern begrenzt, als £ie auf Verzerrungen des Eingangssignales und des Bereiches der Eingangsfrequenz ansprechen. Außerdem ist in der Regel die Anzeigeeinheit für jeden einzelnen Eingang geeicht. Als Effektivwertmesser sind elektrostatische Einrichtungen, Thermopaare oder Dreheisengeräte bekannt. Thermopaare vermeiden einige der genannten Nachteile, haben jedoch ein relativ langsames Ansprechverhalten.

Schließlich sind Effektivwertmesser bekannt, die eine Reihe von elektrischen Elementen, beispielsweise Dioden, Widerstände und Kondensatoren aufweisen. Diese Schaltungen arbeiten mit Näherungslösungen und sind durch die Qualität der Bauteile begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Effektivwertmesser zu schaffen. Dieser soll insbesondere eine kürzere Stabi-

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Telegramme Custopat

lisierungszeit, eine hohe Genauigkeit, einen weiten Betriebsbereich und einen einfachen Schaltungsaufbau aufweisen. Dabei soll der Effektivwert des Eingangssignales als Gleichspannung angezeigt werden.

Diese Aufgabe wird bei dem Effektivwertmesser gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Einrichtung das Eingangssignal aufnimmt und erste und zweite dem Betrag des Eingangssignales proportionale Ströme erzeugt, eine Einrichtung die ersten und zweiten Ströme empfängt und einen dritten Strom erzeugt, der direkt proportional dem Produkt der ersten und zweiten Ströme ist, eine Einrichtung den dritten Strom aufnimmt und einen vierten Strom erzeugt, welcher direkt proportional dem Durchschnittswert des dritten Stromes ist und eine Einrichtung den vierten Strom aufnimmt und den dritten Strom derart ändert, daß dieser umgekehrt proportional dem vierten Strom wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen werden, daß die zu messenden Eingangssignale einer Gleichrichterschaltung zugeführt werden, welche Betrag und Polarität des Eingangssignales bestimmt, der Ausgang der Gleichrichterschaltung einer Verstärkungszelle (vergleiche US PS 3 689 752) zugeführt wird, der Ausgang der Verstärkungszelle einem den Mittelwert bildenden Filter mit einer Rückführung zugeführt wird und dabei die dem Effektivwert des Eingangssignales proportionale Ausgangsgleichspannung erzeugt wird.

Durch die Erfindung wird ein verbesserter Effektivwertmesser geschaffen, der über einen weiten Frequenzbereich messen kann. Außerdem ist dieser einfacher aufgebaut, die Ausgangsanzeigeeinrichtungen brauchen nicht für verschiedene Eingangssignale geeicht zu werden, der Effektivwertmesser hat eine hohe Genauigkeit und seine Ansprechzeit ist geringer.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Er-

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findung anhand der Zeichnung erläutert, es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausfuhrungsform zum Bestimmen der Ausgangsgleichspannung, welche proportional dem Effektivwert des Eingangssignales ist und

Fig. 2 schematisch ein Schaltungsdiagramra der bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des Effektivwertmessers dargestellt. Das System enthält drei Hauptblöcke, welche einen Eingangsglexchrichter 2O_r eine Verstärkungszelle 30 und ein den Mittelwert bildendes Filter 40 aufweisen. Ein zu messendes Eingangssignal wird dem Gleichrichter zugeführt, und der Ausgang des den Mittelwert bildenden Filters ist eine Gleichspannung, welche proportional dem genauen Effektivwert des Eingangssignales ist.

Das dem Eingangsglexchrichter 20 zugeführte Eingangssignal e^^ erzeugt zwei identische Ströme i. und i^. Die Ströme 1. und ig sind direkt proportional dem Absolutwert des Eingangssignales

ti e.. (Ais eine Alternative zu dem Eingangssignal könnte durch einen Strom durch einen äußeren Widerstand gebildet werden, wie dem Fachmann bekannt ist.) Die Ströme i. und ic werden dann der Verstärkungszelle 30 zugeführt.

Die Verstärkungszelle 30 erhält die Ströme X₄ und X₅ als Eingangssignale und gibt einen Ausgangsstrom i, ab, der direkt proportional dem Produkt der Ströme i. und i_ geteilt durch den Rückkopplungsstrom i_fi ist. Der Betrieb der Verstärkungszelle 30 ist im einzelnen in der US Patentschrift 3 689 752 beschrieben.

Das den Mittelwert des Eingangssignales bildende Filter 40 nimmt den Strom i-, auf und gibt zwei Ausgangs signale ab: die dem Durchschnittswert des Stromes i, direkt proportionale Ausgangsgleichspannung e_Q und einen der Ausgangsspannung e_Q direkt proportionalen Rückkopplungsstrom ig.

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Die Kombination des Eingangsgleichrichters 20, der Verstärkungszelle 30 und des den Mittelwert bildenden Filters 40 in der Schaltung gemäß Fig. 1 ergibt eine Ausgangsgleichspannung e_Q, welche proportional dem Effektivwert des Eingangssignales e. ist.

In Fig. 2 ist schematisch eine Schaltungsanordnung der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1 dargestellt.

Das Eingangssignal e. wird einer Eingangsgleichrichterschaltung 20 zugeführt, in welcher die Operationsverstärker 8 und 9 (e. ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 verbunden) Ausgänge haben, die mit den Basisanschlüssen von Transistoren 12 bzw. 13 verbunden sind. Zwischen den Basisanschlüssen und den Emitteranschlüssen der Transistoren 12 bzw. 13 sind die Dioden IO und 11 derart angeschlossen, daß die Anoden der Dioden 10 bzw. 11 mit den Emitteranschlüssen der Transistoren 12 bzw. 13 verbunden sind. Zwischen den Anoden der Dioden 10 bzw. 11 und den Emitteranschlüssen der Transistoren 12 bzw. 13 ist ein Widerstand 21 verbunden. Das eine Ende des Widerstandes 21 ist auch mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 und das andere Ende mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 9 verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang mit einem Masseanschluß verbunden ist. Die Kollektoranschlüsse der Transistoren 12 und 13 sind untereinander und mit den Emitteranschlüssen der Transistoren 6 und 7 verbunden. Die Basisanschlüsse der Transistoren 6 und 7 sind untereinander und mit dem Kollektoranschluß des Transistors 6 verbunden. Die Emitter- und Basisanschlüsse des Transistors 5 sindmit dem Kollektoranschluß des Transistors 6 bzw. dem Kollektoranschluß des Transistors 7 verbunden. Die gemeinsame Verbindung des Basisanschlusses des Transistors 5 und des Kollektoranschlusses des Transistors 7 ist mit einer Verbindungsstelle der Emitteranschlüsse der Transistoren 1 und 2 verbunden. Der Kollektoranschluß des Transistors 5 ist mit dem Basisanschluß des Transistors 2 verbunden. Gemäß Fig. 2 vervollständigen die vorgenannten Verbindungen den Eingangsgleichrichter 20 des Meßwert-

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Umformers.

Der Betrieb des Gleichrichters ist wie folgt: bei einem positiven Eingangssignal e. gelangt der Transistor 12 in den leitfähigen Zustand, während der Transistor 13 in den Sperrzustand übergeht. Durch die vergleichende Wirkung der Operationsverstärker 8 und 9 liegt daher am Widerstand 21 eine Potentialdifferenz e. an. Daher wird der Strom i_Q erzeugt, welcher durch den Transistor 12 zur Gerätemasse über den Operationsverstärker 9 fließt. Bei negativen Eingangssignalen e. wird der Transistor 13 eingeschaltet und der Transistor 12 gesperrt. Wiederum erzeugt eine Spannung e. einen Strom i_Q, diesesmal jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Der Strom i_Q ist daher direkt proportional dem Betrag des Eingangssignales e. unabhängig von seiner Richtung. Der Strom i_Q wird dann einer an sich bekannten Halbierungsschaltung zugeführt. Es gilt die Gleichung :

I₄ = I₅= K₁ Je₁/ (1).

Wie schon angemerkt wurde, sind der Basisanschluß des Transistors 5 und der Kollektoranschluß des Transistors 7 untereinander und mit der Verstärkungszelle 30 über eine gemeinsame Verbindung zwischen den Emitteranschlüssen der Transistoren 1 und 2 verbunden. Der Basisanschluß des Transistors 1 ist mit einer Quelle 16 für einen Strom zur Einstellung des Arbeitspunktes verbunden. Mit dem Basisanschluß des Transistors 1 ist auch die Kathode einer Diode 3 verbunden, deren Anode mit der Anode der zweiten Diode 4 verbunden ist. Die Kathode der Diode 4 ist mit dem Basisanschluß des Transistors 2 und dem Kollektoranschluß des Transistors 5 verbunden. Die Kollektoranschlüsse der Transistoren 1 und 2 sind mit dem den Mittelwert bildenden Filter 4O bzw. einer Potentialquelle 15 verbunden.

Die Transistoren 1, 2, 6 und 7 und die Dioden 3 und 4 sind aufeinander abgestimmte Paare, und die Verstärkungszelle 3O ist im einzelnen in der US Patentschrift 3 689 752 beschrieben.

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Diese Verstärkungszelle 30 erzeugt einen Strom i,, für welchen gemäß Gleichung 1 gilt:

Der Kollektoranschluß des Transistors 1 ist mit dem Filter verbunden, wobei die Verbindung aus dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 14 besteht, dessen Ausgang direkt mit dem Basisanschluß eines Transistors 18 verbunden ist, Die Kollektorelektrode des Transistors 18 ist mit der gemeinsamen Verbindung der Anoden der Dioden 3 und 4 verbunden. Zwischen einer Potentialquelle 17 und dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14 sind ein Widerstand 41 und ein Kondensator 42 parallel geschaltet. Ein zweiter Widerstand 43 ist zwischen der Potentialquelle 17 und dem Emitteranschluß des Transistors 18 verbunden, an welchem die gewünschte Ausgangsgleichspannung e_Q erhalten wird. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 14 ist mit dem Emitteranschluß des Transistors 18 und dem Widerstand 43 verbunden.

Das Filter 40 nimmt den Strom i^ als Eingangssignal auf und erzeugt eine Spannung e₂ am Widerstand 41. Es wird dann durch den Kondensator 42 der Mittelwert dieser Spannung gebildet. Wegen der vergleichenden Wirkung des Operationsverstärkers gleicht die Spannung e, am Widerstand 43 der Spannung e₂ am Widerstand 41, so daß ein Rückkopplungsstrom i_g erzeugt wird. Daher folgt aus den Gleichungen 1 und 2:

e₀ = K₃ I₁= K₁ K₂ K₃ Je^ I (3),

und i₆ = K₄ e₀ (4)

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Aus den Gleichungen 3 und 4 folgt!

e_n = K₁ K₂ ^K3 l^ei I (5)

^K4 ^e0

Wenn die Gleichung 5 nach e_Q aufgelöst wird, ergibt sichs

e₀ = K₅ r B₁ ² <6),

dabei bedeutet

^K5 " ^Kl ^K2 ^K3
^K4

K₅ ist eine Proportionalitätskonstante, welche von den Schaltungsparametern abhängt. Die Gleichung 5 ist definitionsgemäß der Effektivwert. Daher ist die Ausgangsgleichspannung e_Q proportional dem Effektivwert des Eingangssignales e^.

Vorstehend wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, der Schutzumfang der Erfindung ist indessen lediglich durch die Patentansprüche begrenzt*

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche :

Effektivwertmesser zur Abgabe einer Ausgangsgleichspannung, welche proportional dem Effektivwert des Eingangssignales ist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (20) das Eingangssignal (e.) aufnimmt und einen ersten (i.) und einen zweiten (I₅) Strom erzeugt, der proportional der Größe des Eingangssignales ist, eine Einrichtung (30) die ersten und zweiten Ströme aufnimmt und einen dritten Strom (i,) erzeugt, der direkt proportional dem Produkt der ersten und zweiten Ströme ist, eine Einrichtung (40) den dritten Strom (i-,) aufnimmt und einen vierten Strom (i_g) erzeugt, der direkt proportional dem Durchschnittswert des dritten Stromes ist und eine Einrichtung den vierten Strom aufnimmt und den dritten Strom derart ändert, daß er umgekehrt proportional dem vierten Strom ist.

Effektivwertmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Aufnahme des Eingangssignales ein Eingangsgleichrichter (20) ist.

Effektivwertmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Aufnahme der ersten (i,) und zweiten (X₅) Ströme eine Strommultipliziereinrichtung ist.

Effektivwertmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Aufnahme des dritten Stromes (i-^) ein den Mittelwert des Stromes bildendes Filter (40) ist.

Effektivwertmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Aufnahme des vierten Stromes (i_g) eine Strom-

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Divisionseinrichtung ist.

6. Effektivwertmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein fünfter Strom (i_Q) erzeugt ist, der proportional der Größe des Eingangssignales unabhängig von dessen Polarität ist.

7. Effektivwertmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsgleichrichter (20) eine Stromhalbierungsschaltung aufweist, welche die ersten (i^) und zweiten (ic) Ströme derart erzeugt, daß diese direkt proportional dem fünften Strom (i_Q) sind.

8. Effektivwertmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Eingangsgleichrichter (20) eine Eingangsimpedanzeinrichtung aufweist, die zwischen einem invertierenden Eingang eines ersten Verstärkers (8) und einem invertierenden Eingang eines zweiten Verstärkers (9) angeschlossen ist und bewirkt, daß der fünfte Strom (i~) in einer ersten Richtung und dann in umgekehrter Richtung durch die Eingangsimpedanzeinrichtung fließt.

9. Effektivwertmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Verstärker (8; 9) Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor sind.

10. Effektivwertmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufnahme der ersten (i,) und zweiten (X₅) Ströme und die Einrichtung zur Aufnahme des vierten Stromes (i_ß) zusammen eine Verstärkerzelle (30) ausbilden.

11. Effektivwertmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das den Mittelwert bildende Filter (20) eine Impedanz zur Mittelwertbildung des dritten Stromes aufweist.

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12. Effektivwertmesser nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Ausgangsgleichspannung (e_Q)
proportional dem Mittelwert des dritten Stromes (i,) ist.

13. Effektivwertmesser nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der vierte Strom (i_g) proportional der Ausgangsgleichspannung (e ) ist.

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