DE2510986A1

DE2510986A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur digitalen messung elektrischer spannungen

Info

Publication number: DE2510986A1
Application number: DE19752510986
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Volkmann
Original assignee: Felten and Guilleaume Carlswerk AG
Current assignee: Philips Kommunikations Industrie AG
Priority date: 1975-03-13
Filing date: 1975-03-13
Publication date: 1976-09-23
Also published as: DE2510986B2; GB1500830A; DE2510986C3

Description

Anmelder: Feiten & Guilleaume Carlswerk AG 5 Köln Ro Schanzenstr. 24

Fl 4226 Köln-Mülheim, den 3. März I075

Verfahren und Schaltungsanordnung zur digitalen Messung elektrischer Spannungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Messung von elektrischen Spannungen und Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Verfahrens.

Es sind zahlreiche Verfahren und Schaltungsanordnungen zur digitalen Messung elektrischer Spannungen bekannt. Gemeinsam

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ist Ihnen der Machteil, daß ihre Verwirklichung eine relativ hohe Zahl von elektrischen Bauelementen erfordert. Sollen sie für genauere Messungen verwendet werden, so muß ein Teil dieser Bauelemente als Präzisionsteile ausgeführt werden. Die Zahl der Bauelemente w:\e auch der Fehlerquellen steigt schnell, wenn die Darstellung ctes Meßergebnisses in einem logarithmischem Maßstab erfolgen soll, also bei sogenannten Pegelmessern.

Der Erfindung lie;-;t die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur digitalen Messung elekirischer Spannungen zu schaffen, dessen Verwirklichung mit einer möglichst geringen Anzahl von Bauelementen und einer Mindestzahl von Präzisionsteilen möglich ist und bei dem auch eine logarithmische Anzeige möglichst wenig zusätzlichen Aufwand erfordert. Die zur Durchführung • -.es Verfahrens nötige Schaltungsanordnung ist anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur digitalen Messung von elektrischen Spannungen mit logarithmischer Anzeige ist im Kennzeichen des Anspruchs 2 angegeben. Eine Erweiterung des erflndungsgemässen Verfahrens zur Spannungsmessung mit linearer Anzeige ist im Kennzeichen des Anspruchs 5 angegeben.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in den Merkmalen des Anspruchs 4, ihre Erweiterung auf lineare Anzeige in den Merkmalen des Anspruchs 5 beschrieben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die bei den bekannten Verfahren meist aufwendigere Messung mit logarithmischer Anzeige mit noch weniger Bauelementen verwirklicht werden kann, als die Messung mit

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BAD ORIGfNAt

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.'nearer Anzeige. Die Meßgenauigkeit hängt hierbei nur vom •h^ltnis der Kapazitäten von Speicher- und Hilfskondensa-• ab, nicht von deren absoJuten Werten. Andere Bauteile und ihre Auswirkungen z.B. auf die Frequenz des Taktgenerators, haben keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit.

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

Pig. 1 die Prin7,ipschalt jng der Messung mit logarithmischer Anzeige,

Fig. 2 die Prinnipschaltung der Messung mit linearer Anzeige,

Fig. 3 Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Anhand der Fig. 1 soll zunächst das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung einer elektrir^hen Spannung mit logarithmischer Anzeige erläutert werden. Die zu messende Spannung U wird an die entsprechend gekennzeichneten Klemmen angelegt. Der Schalter Sl wird geschlossen, bis sieh der Speicherkondensator Cl zum Zeitpunkt t aif eine Spannung U_n=U_m aufgeladen hat. Zu diesem Zeitpunkt t_n wird der Schalter Sl wieder geöffnet. Die dann im Speicherkondensator Cl gespeicherte Ladung Q beträgt

O -Pl TT (1)

Über den Schalter S2 wird nun der Hilfskondensator CP mit dem Speicherkondensator Cl verbunden und in erster Näherung; auf die Spannung U_n aufgeladen. Seine Ladung beträgt dann

0_h-C2 .U_n (2)

oder mit (l)

r, C2

Setzen wir für das KapazitHtsverhältnis

k ^C2 (4)

^K "C1+C2 ^V

fif!i<«3'j /(JbO 1 BAD ORIGINAL

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so wird

^k'^Qn

Über den Schalter S2 wird nun der Hilfskondensator C2 vom Speicherkondensator Cl getrennt, kurzgeschlossen und seine elektrische Ladung in Wärme verwandelt. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis auch der Speicherkondensator Cl auf eine Bezugsspannung U entladen ist. Die dabei schrittweise aus dem Speicherkondensator Cl entnommene Ladungsmenge Q_ hängt nach (5) .linear von der jeweiligen Ladung Q_n+ . des Speicherkondensators Cl ab. Aus (l) und (5) folgt

V 1 = V % = V ^kQn <⁶>

^_n ⁼ ft > ¹^v₁ \ ( ) ·

Durch die Wahl des Kapazitätsverhältnisses k kann erreicht werden, daß

^Q_n« Q_n (8).

Dann kann die Entladung des Speicherkondensators Cl als stetig verlaufend angesehen werden und verläuft nach der Funktion

dQ„

Die Lösung dieser Differentialgleichung ist

χ = £ . In

^vn
wobei χ die Zahl der Entladeschritte und Q_x die Ladung von Cl nach χ Entladeschritten ist.

Aus (4) und (lO) folgt

Cl+C2._ln ^Qx ₌ Cl4-C2 _ln \

Q_n - _n \ )'

Die Anzahl χ der Betätigungen des Schalters S2, die erforderlich sind, um die Spannung am Speicherkondensator Cl von U_n auf U zu ändern, ist also proportional dem Logarithmus des

⁽> I) 9 8 3 y / Q S 0 1

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Spannungsverhältnisses U . Durch geeignete Wahl des Kapazitätsverhältnisses k kann die Zählung der Entladungsschritte direkt in Dezibel oder Neper erfolgen. Vertauschen von U und U ermöglicht die Anzeige von positiven und negativen Pegeln.

Um eine lineare Anzeige zu erhalten, muß die schrittweise Entladung des Speicherkondensators Cl mit konstanten Ladungsmengen erfolgen. Der schrittweise Abbau der Spannung an Cl erfolgt dann um konstante Beträge bis zur völligen Entladung. Anhand von Fig. 2 soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung elektrischer Spannungen mit linearer Anzeige erläutert werden. Die schrittweise Entladung des Speicherkondensators Cl erfolgt durch den Hilfskondensator C2, der über den Schalter S2 auf eine Hilfsspannung U^ aufgeladen und dann eben falls über den Schalter S2, so an den Operationsverstärker OV geschaltet wird, daß die Ladung Q,_Q des Hilfskondensators C2 von der Ladung Q des Speicherkondensators Cl subtrahiert wird.

Die im Speicherkondensator Cl zum Zeitpunkt t gespeicherte Ladung Q beträgt wieder

Q_n=Ci. U_n (i).

Der Hilfskondensator C2 wird nun über den Schalter S2 auf eine Hilfsspannung U_n aufgeladen. Seine Ladung Q, beträgt

Q_h = C2 - U_n (12).

Wird C2 nun über den Schalter S2 an den Speicherkondensator Cl und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV gelegt, der als idealer Rechenverstärker mit vernachlässigbarem Reststrom und ebenfalls vernachlässigbarer Offsetspannung angesehen werden kann, so wird die Ladung Q von Cl um den Betrag der Ladung Q von C2 vermindert. Nach diesem ersten Entladungsschritt beträgt die Ladung Q_n+1 ^{von C1}

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oder, mit (l) und (12)

^Un ₊ 1 ' ^C1 = ^Un ' ^C1 -

ΙΓ — TT - TT

η + 1 - ^Un ^Uh * Cl * (I₅)

Nach weiterer Umformung ergibt sich die Spannungsänderung U bei jedem Entladeschritt.

"^{U = U}n - ^Un ₊ 1 = ^Uh · üf ^6)·

Wiederholt man diesen Entladungsschritt so oft, bis Cl völlig entladen ist, so ist die Zahl der Entladungsschritte proportional der Spannung U = U an Cl.

Wählt man nun U , C2 und Cl so, daß beispielsweise _Δυ = ImV ist, so zeigt der Zähler der notwendigen Entladeschritte die zu messende Spannung U in Millivolt an. Die Genauigkeit die-

C2 ses Meßverfahrens hängt nur vom Kapazitätsverhältnis ^y und der Genauigkeit der Hilfsspannung ab. Die in Fig. 2 eingezeichneten Widerstände Rl, R2 und R3 dienen lediglich zur Schaffung definierter Lade- und Entladezeiten, die nicht in die Genauigkeit des Meßergebnisses eingehen,solange diese Zeiten hinreichend klein sind.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens dagestellt. Gleiche Bauelemente sind mit den gleichen Bezeichnungen versehen wie in den Prinzipschaltbildern Fig. 1 und 2. Die Schalter Sl und S2 werden als kontaktlose elektronische Schalter ausgeführt, die über Logikschaltungen betätigt werden. Mit dem Schalter S3 kann der Hilfskondensator C2 vor Beginn eines jeden Entladeschrittes entweder auf eine Hilfsspannung U_h aufgeladen werden oder aber völlig entladen werden. Die letztgenannte Schaltstellung des S3 wird benutzt, wenn eine logarithmische Anzeige, also eine Pegelmessung gewünscht wird. In diesem Fall wird der Speicherkondensator Cl nur bis auf eine bestimmte Bezugsspannung Uv entladen, die über den Schalter S4 an den Komparator K angelegt werden kann. In der

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Schaltstellung "lineare Anzeige" des Schalters SJ wird dahingegen der Speicherkondensator Cl völlig entladen. In diesem Fall wird der eine Eingang des Komparators K über den Schalter S4 an Spannung Null gelegt. Der Komparator K überwacht also den Ladezustand des Speicherkondensators Cl. Ist die Ladung von Cl auf dem gewünschten Wert Null oder Uv abgesunken, so stoppt der Komparator K über Steuerlogik SL und die Torschaltung T den Entladezyklus des Schalters S2. Danach schließt die Steuerlogik SL den Schalter Sl, so daß der Speicherkondensator Cl wieder auf die Meßspannung U aufgeladen werden kann. Nach erfolgter Ladung wird der Schalter Sl über die Steuerlogik wieder geöffnet, danach gibt die Steuerlogik SL über die Torschaltung T den vom Taktgeber TG veranlassten schrittweisen Entladezyklus des Schalters S2 wieder frei. Die Anzahl der nötigen Entladeschritte wird durch die Zähl- und Anzeigeeinheit ZA gezählt, gespeichert und angezeigt. Es ist nach dem bisher Gesagten verständlich, daß weder die Frequenz des Taktgebers TG noch die Schaltzeiten der Steuerlogik SL einen Einfluß auf die Genauigkeit des Meßergebnisses haben.

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Claims

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Patentansprüche:

/ 1./Verfahren zur digitalen Messung von elektrischen Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherkondensator (Cl) auf die zu messende Spannung (Um) aufgeladen wird, daß dann die Spannung des Speicherkondensators (Cl) schrittweise um definierte Beträge bis auf Null oder bis auf eine definierte Bezugsspannung (Uv) vermindert wird, und daß die Zahl der dazu nötigen Entladungsschritte gezählt und angezeigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schrittweise Entladung des Speicher kondensators (Cl) um definierte Beträge durch mehrfaches Zuschalten eines Hilfskondensators (C2) erfolgt, der nach jeder Aufladung auf die Spannung des Speicherkondensators (Cl) wieder entladen wird.
J5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schrittweise Entladung des Speicher kondensators (Cl) um definierte Beträge durch mehrfache Subtraktion der Ladung eines Hilfskondensators (C2) erfolgt, der vor jedem Entladungsschritt auf eine bestimmte konstante Spannung (Uh) aufgeladen wird.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Aufladung des Speicherkondensators (Cl) durch die zu messende Spannung (Um) einen von einer Steuerlogik (SL) gesteuerten kontaktlosen elektronischen Ladeschalter (Sl) enthält, daß sie zur Feststellung der Entladung des Speicherkondensators (Cl) auf

einen Wertjiahe Null oder auf eine definierte Bezugsspannung (Uv) einen Komparator (K) enthält, der bei dem durch einen Wahlschalter (S4) vorwähl baren Entladungszustand

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des Speicherkondensators (Cl) einen Steuerimpuls erzeugt, der über die Steuerlogik (SL) den Ladeschalter (Sl) für eine erneute Aufladung des Speicherkondensators (Cl) mit der zu messenden Spannung (Um) schließt, daß sie für die schrittweise Entladung des Speicherkondensators (Cl) durch den Hilfskondensator (C2) einen über eine Torschaltung (T) von einem Taktgeber (TG) gesteuerten, kontaktlosen, elektrischen Entlade-Umschalter (S2) enthält, wobei die Torschaltung (T) wiederum durch Impulse der Steuerlogik (SL) geöffnet und geschlossen wird, und daß sie für die Zählung und Anzeige der zum Entladen des Speicherkondensators (Cl) benötigten, von der Steuerlogik (SL) ermittelten und durch die Torschaltung (T) geschalteten Impulse des Taktgebers (TG) eine Zähl- und Anzeigeeinheit (ZA) enthält.

5· Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie für die Subtraktion der Ladung des vorher auf eine bestimmte Spannung (Uh) aufgeladenen Hilfskondensators (C2) von der Ladung des Speicherkondensators (Cl) einen Operationsverstärker (OV) enthält, dessen invertierender Eingang über den Entladeschalter (S2) an den Hilfskondensator (C2) geschaltet ist und über dessen Ausgang die Ladung des Speicherkondensators (Cl) um den Betrag der Ladung des Hilfskondensators (C2) vermindert wird.

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