DE2407968B1 - Digitaler Spannungspegelmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen digitalen Spannungspegelmesser mit einem kapazitiv rückgekoppelten Verstärker, dessen Ausgangsspannung auf einen von einer zu messenden Spannung abhängigen Wert gebracht wird, und bei dem nach dem Abschalten der zu messenden Spannung die Ausgangsspannung auf den Verstärkereingang rückgekoppelt wird, wobei die Zeitspanne vom Beginn der Rückkopplungsphase bis zum Erreichen eines vorgegebenen Spannungswertes durch die sich exponentiell ändernde Ausgangsspannung digital gemessen wird.
Bei einem bekannten Spannungspegelmesser dieser Art (deutsche Auslegeschrift 1271257) wird die Ausgangsspannung des Verstärkers in der Weise auf einen von der zu messenden Spannung abhängigen Wert gebracht, daß zunächst in einer ersten Meßphase ein dem Verstärkereingang vorgeschalteter Kondensator auf diese Spannung aufgeladen wird und die somit gespeicherte Ladung in einer zweiten Meßphase auf den Rückkopplungskondensator übertragen wird. Die Rückkopplungsphase schließt sich dann als dritte Meßphase an. Hiermit wird ein während der ersten Meßphase auftretender Momentanwert der zu messenden Spannung der Auswertung zugrunde gelegt. Dieser kann jedoch durch überlagerte Störspannungskomponenten verfälscht sein, was zu Fehlmessungen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungspegelmesser der eingangs genannten Art zur Messung des Pegels der über einen vorgegebenen Zeitabschnitt integrierten Eingangsspannung heranzuziehen, d.h. also eine logarithmische Bewertung des Verhältnisses der integrierten Eingangsspannung zu einer vorgegebenen Bezugsspannung vorzunehmen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die zu messende Spannung über einen Eingangsschalter während einer fest vorgegebenen Zeitspanne an den Verstärkereingang gelegt wird, so daß der Verstärker gleichzeitig als Integrator dient und die rückzukoppelnde Ausgangsspannung das nach Ablauf der Zeitspanne erreichte Integrationsergebnis darstellt.

ORIGINAL INSPECTED

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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht ins- weils in die Öffnungszeit der Torschaltung 8 fallenden

besondere darin, daß die Integration der Eingangs- Zählimpulse gezählt werden. Das Zählergebnis wird

spannung mit Hilfe der bereits für die logarithmische sodann in einer Anzeigevorrichtung 11 digital dar-

Bewertung der Eingangsspannung erforderlichen gestellt oder über einen Ausgang 12 in Form von

Schaltungsteile durchführbar ist, so daß der Aufwand 5 vorzugsweise kodierten digitalen Signalen ausge-

für einen eigenen Integrator entfällt. Weiterhin kann geben.

der Spannungspegelmesser nach der Erfindung durch Die erste Phase des eigentlichen Meßvorgangs beeine nur geringfügige Abänderung seiner Schaltung ginnt nach einer vorherigen Entladung der Integrazur integrierenden Messung der Eingangsspannung an tionskapazität Cl durch kurzzeitiges Schließen des Stelle des Eingangspegels herangezogen werden. 10 Schalters 54. Nach der Entladung von Cl wird die Hierbei erfolgt die integrierende Spannungsmessung Spannung Ue, die integriert und bezüglich ihres Pegels nach dem an sich bekannten Prinzip der Doppelinte- gegenüber einem vorgegebenen Bezugswert ausgegration. wertet werden soll, durch Schließen des Schalters 51

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Er- an den invertierenden Eingang des Operationsverfindung wird die rückzukoppelnde Ausgangsspannung 15 stärkers 1 gelegt. Die damit anlaufende Aufwärts-Inbeim Nichterreichen einer dem Integrationsergebnis tegration von Ue, die ein lineares Ansteigen der Ausfür einen Bezugsspannungswert entsprechenden Re- gangsspannung — Ua des Integrators 1 bewirkt, ist auf ferenzspannung durch die sich während des Integra- ein fest vorgegebenes Zeitintervall 71 beschränkt, tionsvorganges aufbauende Ausgangsspannung mit nach dessen Ablauf 51 wieder öffnet. Die am Interderselben Polarität wie die zu messende Spannung, ao vallende erreichte Ausgangsspannung stellt dann das beim Überschreiten der Referenzspannung mit entge- Integrationsergebnis dar, das für die weitere Auswergengesetzter Polarität, rückgekoppelt und die Zeit- tung zur Verfügung steht.

spanne bis zum Erreichen der Referenzspannung aus- Fig. 2 zeigt in einem Diagramm, das den Verlauf

gemessen. Hiermit wird erreicht, daß die logarith- von — Ua über der Zeit t darstellt, zunächst einen

mische Bewertung des Verhältnisses der integrierten 35 während der Aufwärts-Integration innerhalb des vor-

Eingangsspannung zu einer vorgegebenen Bezugs- gegebenen Zeitintervalls Tl von — Ua durchlaufe-

spannung für beliebige Werte der Eingangsspannung nen, linearen Kurvenabschnitt 13. Dabei erreicht das

automatisch und vorzeichenrichtig erfolgt. Integrationsergebnis — UaI den Wert der Referenz-

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in spannung — Uo nicht. Fig. 3 zeigt dagegen den Fall,

der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausfüh- 30 daß die lineare Aufwärts-Integration einen Wert

rungsbeispiels näher beschrieben. Dabei zeigt — UaI ergibt, der größer ist als die Referenzspannung

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Ausführungsbei- — Uo. Die Entscheidung darüber, ob der Fall

spiels, I Ual\ < | Uo\ oder | Ua2\ > | Uo\ vorliegt, wird vom

Fig. 2 ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Erläute- Komparator 4 getroffen, der im letzteren Fall zum

rung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 35 Zeitpunkt ίο (Fig. 3) ein erstes Komparatorsignal Kl

bei einem negativen Wert des Eingangsspannungspe- abgibt, im ersteren dagegen nicht. Das Auftreten bzw.

gels, und Ausbleiben des Signals Kl innerhalb von 71 wird

Fig. 3 ein entsprechendes Diagramm für einen po- durch die Logikschaltung 7 in der Weise ausgewertet,

sitiven Pegelwert. daß in einer sich anschließenden, zweiten Meßphase

In Fig. 1 wird die Eingangsspannung Ue über einen 40 entweder der Schalter 53 geschlossen wird und 52

Schalter 51 und einen Widerstand Rl dem invertie- offen bleibt (Fig. 2) oder 52 schließt und 53 offen

renden Eingang eines Operationsverstärkers 1 züge- bleibt (Fig. 3).

führt, dessen nicht invertierender Eingang auf Masse- Betrachtet man zunächst den Fall der Fi g. 2, so bepotential liegt und dessen Ausgang 2 über einen ginnt die zweite Meßphase damit, daß die am AusKondensator Cl mit dem invertierenden Eingang 45 gang 6 der Umkehrstufe 3 auftretende Spannung verbunden ist. Cl wird beim Schließen eines Schalters + Ua, die sich von — Ua am Integratorausgang 2 Ie-54 jeweils kurzgeschlossen. In dieser Schaltung stellt diglich durch das Vorzeichen unterscheidet und damit der Operationsverstärker 1 einen aktiven Integrator die gleiche Polarität aufweist wie die Eingangsspandar mit Cl als Integrationskapazität. Der Ausgang 2 nung Ue, durch Schließen von 53 auf den invertierendes Integrators ist über einen Widerstand R3 an den 50 den Eingang des Integrators 1 rückgekoppelt wird. Eingang einer Polaritäts-Umkehrstufe 3 geschaltet, Unter dem Einfluß dieser Rückkopplung nähert sich die über einen Widerstand R4 rückgekoppelt ist. An- die Ausgangsspannung — Ua in einer zweiten Aufdererseits ist der Ausgang 2 mit dem ersten Eingang wärts-Integration, ausgehend von — UaI, dem Wert eines Komparators 4 verbunden, dessen zweiter Ein- der Referenzspannung — Uo weiter an und erreicht gang über den geschlossenen Schalter 56 mit einer 55 diesen nach einer Zeitspanne Tl. Fig. 2 läßt erken-Referenzspannungsquelle 5 beschaltet ist, die die Re- nen, daß der in diese Zeitspanne fallende Kurvenabferenzspannung — Uo erzeugt. schnitt 14 eine exponentielle Zeitabhängigkeit auf-

Der invertierende Eingang des Operationsverstär- weist. Das Ende von 72 wird durch den Komparator 4 kers 1 kann nach seiner Freischaltung von Ue wahl- festgestellt, der bei Gleichheit seiner Eingangsspanweise über einen Schalter 52 und einen Widerstand 60 nungen ein zweites Komparatorsignal Kl abgibt. Da Rl mit dem Ausgang 2 von 1 oder über einen Schalter die Logikschaltung 7 mit dem Schließen des Schalters 53 und den Widerstand Rl mit dem Ausgang 6 der 53 einen Torimpuls Ti abgibt, der bis zum Auftreten Polaritäts-Umkehrstufe 3 verbunden werden. Der von Kl andauert, entspricht die Öffnungszeit der Ausgang des Komparators 4 ist schließlich an eine Torschaltung 8 der Zeitspanne Tl. Das Ergebnis des Logikschaltung 7 geführt, die eine Torschaltung 8 65 hierdurch in 10 ausgelösten Zählvorgangs ist dann ein mittels ihrer Ausgangssignale steuert. Dabei wirkt die Maß für die Dauer von Tl. Wird nun die Referenz-Torschaltung 8 mit einem Zählimpulsgenerator 9 und spannung Uo so gewählt, daß sie dem Integrationsereinem Zähler 10 in der Weise zusammen, daß die je- gebnis für den Bezugswert entspricht, auf den der Ein-

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gangsspannungspegel relativiert werden soll, so ist das ladung der Integrationskapazität Cl, sodann die An-

Zählergebnis im Zähler 10 gleichzeitig auch dem Wert schaltung der Eingangsspannung Ue während des

des über das Zeitintervall 71 integriert gemessenen vorgegebenen Zeitintervalls 71 und schließlich nach

Eingangsspannungspegels proportional. Dem erhal- deren Abschaltung die Durchschaltung von + Ua

tenen Pegelwert ist ein negatives Vorzeichen zuzuord- 5 über 53 oder von - Ua über 52 sowie die gleichzeitige

nen, das zweckmäßigerweise in der Anzeigevorrich- Wirksamschaltung des Zählers 10 durch Öffnung der

tung 11 mit angezeigt wird. Die für die gewünschte Torschaltung 8 veranlaßt. Diese Schaltfolge kann sich

Pegelangabe notwendige logarithmische Verschlüsse- zum Zwecke der Durchführung laufender integrie-

lung des Meßergebnisses ergibt sich aus der Umset- render Messungen des Eingangsspannungspegels auch

zung des Integrationsergebnisses — UaI in die digital 10 wiederholen. Hierbei empfiehlt es sich besonders, die

auszumessende Zeitspanne Tl mittels des exponen- Schalter Sl bis 54 als elektronische Schalter auszubil-

tiellen Kurvenverlaufs 14. den.

Liegt der in Fig. 3 dargestellte Fall | Ua2\ > \ Uo\ Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfinvor, so beginnt die zweite Meßphase damit, daß nach dung kann die Meßschaltung in einfacher Weise so dem öffnen von 51 nunmehr die am Integratoraus- 15 abgeändert werden, daß sie wahlweise zur integriegang 2 abgreifbare Spannung — Ua, deren Polarität renden Messung der Eingangsspannung an Stelle des zu der der Eingangsspannung Ue entgegengesetzt ist, Eingangsspannungspegels dient. Zu diesem Zweck durch Schließen von S2 auf den invertierenden Ein- wird die Referenzspannung — Uo durch öffnen des gang von 1 rückgekoppelt wird. Die Polaritätsumkehr Schalters 56 vom Eingang des Komparators 4 abgeam Integratoreingang führt hierbei zu einer Ab- ao schaltet und über einen Schalter 55, der an Stelle der wärts-Integration, die in Fig. 3 durch den Kurvenab- nun geöffnet bleibenden Schalter 52 und 53 geschlosschnitt 14 mit exponentieller Zeitabhängigkeit veran- sen wird, in der zweiten Meßphase an den invertierenschaulicht ist. Die Zeitspanne, in der die Ausgangs- den Eingang des Integrators 1 geführt. Der von — Uo spannung — Ua, ausgehend vom Wert -Ua₂, freigeschaltete Eingang des Komparators 4 wird dabei schließlich den Wert der Referenzspannung — Uo er- as über einen bei geöffnetem Schalter 56 geschlossenen reicht, wird wieder mit Tl bezeichnet, durch das Auf- Schalter 57 mit Massepotential belegt. Das Anschaltreten des zweiten Komparatorsignals Kl begrenzt ten von — Uo an den Integratoreingang bewirkt eine und in der bereits beschriebenen Weise mittels des Abwärts-Integration, die beim Erreichen des Masse-Zählers 10 ausgewertet. Dem erhaltenen Zählergeb- potentials durch die Ausgangsspannung — Ua des Innis, das wieder dem auf den vorgegebenen Bezugswert 30 tegrators 1, d. h. beim Auftreten des Komparatorsirelativierten Eingangspegel proportional ist, muß in gnals Kl, unterbrochen wird. Die Zeitspanne vom diesem Fall ein positives Vorzeichen zugeordnet wer- Schließen des Schalters 55 bis zum Auftreten von Kl den, das vorzugsweise in der Anzeigevorrichtung 11 stellt dann ein Maß für die Eingangsspannurig Ue dar mit angezeigt wird. und wird mittels der Schaltungsteile 8, 9, 10 und 11

Zweckmäßigerweise kann der Zähler 10 zusätzlich 35 in der oben beschriebenen Weise ausgewertet. Selbstals Zeitgeber verwendet werden, der das vorgegebene verständlich kann sowohl die Funktion der Schalter Zeitintervall 71 für die Aufwärts-Integration von Ue 55 bis 57 als auch die Umschaltung von der Pegelmesf estlegt. Zu diesem Zweck gibt die Logikschaltung 7 sung auf die Spannungsmessung und umgekehrt mitgleichzeitig mit dem Schaltbefehl zum Schließen von tels der bei 15 abgreifbaren Ausgangssignale der Lo-51 einen die Torschaltung 8 öffnenden Torimpuls Ti' 40 gikschaltung 7 automatisch und insbesondere nach ab, der in 10 einen Zählvorgang auslöst. Nach dem einem vorgegebenen Programm gesteuert werden. Erreichen eines vorgegebenen Zählerstandes wird von Auch die Schalter S5 bis S7 werden vorzugsweise als 10 ein Signal E abgegeben, das in der Logikschal- elektronische Schalter ausgebildet,
tung 7 einen Schaltbefehl zum öffnen des Schalters Die Meßschaltung nach der Erfindung ist insbeson-51 auslöst. 45 dere für Messungen des Geräuschpegels eines Nach-

Die Logikschaltung 7 kann mit besonderem Vorteil richtenübertragungssystems oder seiner Teile mit auch als eine selbsttätige Ablaufsteuerung ausgebildet Vorteil verwendbar. Hierbei ist auch die mit der gewerden, die mit ihren über die Ausgänge 15 abgege- nannten Weiterbildung der Erfindung erreichbare, benen Schaltbefehlen für die einzelnen Schalter 51 wahlweise Spannungsmessung an Stelle einer Pegelbis 54 eine Schaltfolge festlegt, die zunächst die Ent- 50 messung von besonderem Interesse.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Digitaler Spannungspegelmesser mit einem kapazitiv rückgekoppelten Verstärker, dessen Ausgangsspannung auf einen von einer zu messenden Spannung abhängigen Wert gebracht wird, und bei dem nach dem Abschalten der zu messenden Spannung die Ausgangsspannung auf den Verstärkereingang rückgekoppelt wird, wobei die Zeitspanne vom Beginn der Rückkopplungsphase bis zum Erreichen eines vorgegebenen Spannungswertes durch die sich exponentiell ändernde Ausgangsspannung digital gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Spannung ( Ue) über einen Eingangsschalter (51) während einer fest vorgegebenen Zeitspanne ( TL) an den Verstärkereingang gelegt wird, so daß der Verstärker (1) gleichzeitig als Integrator dient und die rückzukoppelnde Ausgangsspannung ( — UaI,

— Ua2) das nach Ablauf der Zeitspanne ( Tl) erreichte Integrationsergebnis darstellt.

2. Digitaler Spannungspegelmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückzukoppelnde Ausgangsspannung (— UaI,

— Ua2) beim Nichterreichen einer dem Integrationsergebnis für einen Bezugsspannungswert entsprechenden Referenzspannung (— Uo) durch die sich während des Integrationsvorganges aufbauende Ausgangsspannung (— Ua) mit derselben Polarität wie die zu messende Spannung ( Ue), beim Überschreiten der Referenzspannung (— Uo) mit entgegengesetzter Polarität, rückgekoppeltwird und daß die Zeitspanne ( Γ2) bis zum Erreichen der Referenzspannung (— Uo) ausgemessen wird.

3. Digitaler Spannungspegelmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Polaritäts-Umkehrstufe (3) und einen mit einer Referenzspannung (— Uo) beschalteten Komparator (4), die jeweils dem Integrator (1) nachgeschaltet sind, durch eine Gruppe von Schaltmitteln (52, 53), die in Abhängigkeit von dem Auftreten oder Fehlen eines beim Erreichen der Referenzspannung (— Uo) durch die Integratorausgangsspannung ( — Ua) während des Zeitintervalls (Tl) gebildeten, ersten Komparatorsignals (Kl) die Ausgangsspannung des Integrators (1) oder der Umkehrstufe (3) als Rückkopplungsspannung durchschalten und weitere Schaummittel (8), die einen vorzugsweise digitalen Zeitmesser (9,10,11) von dieser Durchschaltung bis zum Auftreten eines während der Rückkopplungsphase in analoger Weise gebildeten, zweiten Komparatorsignals (Kl) wirksam schalten.

4. Digitaler Spannungspegelmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Integration der Eingangsspannung ( Ue) vorgegebene Zeitintervall (Tl) von dem Zeitmesser (9, 10, 11) abgeleitet wird.

5. Digitaler Spannungspegelmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Ablaufsteuerung (7), deren Ausgangssignale zunächst über den Eingangsschalter (51) die Anschaltung der Eingangsspannung '(Ue) für die Dauer des vorgegebenen Zeitintervalls (Tl) und anschließend die Durchschaltung der jeweiligen Rückkopplungsspannung (+Ua, — Ua) und die

Wirksamschaltung des Zeitmessers (9, 10, 11) selbsttätig und vorzugsweise in sich wiederholenden Meßzyklen steuert.

6. Digitaler Spannungspegelmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur wahlweisen integrierenden Messung der Eingangsspannung ( Ue) an Stelle des Eingangspegels die Referenzspannung (— Uo) vom Eingang des Komparators (4) abschaltbar und an Stelle der Rückkopplungsspannung (+ Ua, — Ua) dem Integratoreingang zuführbar ist und daß der von der Referenzspannung (— Uo) freigeschaltete Komparatoreingang auf Massepotential gelegt ist.

7. Digitaler Spannungspegelmesser nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Rückkopplungsspannung (-Ua, + Ua) durchschaltende Gruppe von Schaltmitteln (52, 53), der die Anschaltung der Eingangsspannung (Ue) bewirkende Eingangsschalter (51) und gegebenenfalls die die Umschaltung auf die integrierende Eingangsspannungsmessung bewirkenden Schalter (55, 56, 57) als elektronische Schalter ausgebildet sind.