DE2510986B2

DE2510986B2 - Verfahren und schaltungsanordnung zur digitalen messung elektrischer spannungen

Info

Publication number: DE2510986B2
Application number: DE19752510986
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 5070 Bergisch Gladbach Volkmann
Original assignee: Feiten & Guilleaume Carlswerk Ag 5000 Koeln
Current assignee: Philips Kommunikations Industrie AG
Priority date: 1975-03-13
Filing date: 1975-03-13
Publication date: 1977-07-28
Also published as: GB1500830A; DE2510986C3; DE2510986A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur digitalen Messung von elektrischen Spannungen, wobei ein Speicherkondensator auf die zu messende Spannung

aufgeladen wird, dann die Spannung des Speicherkondensators schrittweise um definierte Beträge bis auf Null oder bis auf eine definierte Bezugsspannung vermindert und die Zahl der dazu nötigen Entladungsschritte gezählt und angezeigt wird, und Schaltungsan-

Ordnungen zur Durchführung der Verfahren, die zur Aufladung des Speicherkondensators durch die zu messende Spannung einen von einer Steuerlogik gesteuerten kontaktlosen elektrischen Ladeschalter enthalten, und die zur Feststellung der Entladung des Speicherkondensators auf einen Wert nahe Null oder auf eine definierte Bezugsspannung einen Komparator enthalten, der bei dem durch einen Wahlschalter vorwählbaren Entladungszustand des Speicherkondensators einen Steuerimpuls erzeugt, der über die Steuerlogik den Ladeschalter für eine erneute Aufladung des Speicherkondensators mit der zu messenden Spannung schließt.

Bekannt ist ein digitaler Gleichspannungsmesser mit einem Integrationsverstärker zur Integration der über eine Eingangsschaltung zugeführten Meßspannung, mit einem an der Integrationsverstärkerausgang angeschlossenen Schwellwertdiskriminator, der, wenn die Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers eine durch ihn festgelegte Bezugsspannung überschreitet, die Zuführung von Spannungsimpulsen mit bezüglich der Meßspannung entgegengesetztem Vorzeichen zum Integrationsverstärkereingang steuert, bis die Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers auf die Bezugsspannung abgesunken ist, und mit einem Zähler zum Zählen der dem Verstärker zugeführten Spannungsimpulse, bei dem die Eingangsschaltung eine Kapazität und einen Schalter aufweist, mit dem die zunächst auf die Meßspannung aufgeladene Kapazität an den Eingang des Verstärkers anlegbar ist (DT-AS 12 83 377).

Dieses Gerät hat, wie die vielen anderen bekannten ähnlichen Geräte, den Nachteil, daß es eine relativ hohe Zahl von elektrischen Bauelementen benötigt. Soll es für genauere Messungen verwendet werden, so muß ein Teil dieser Bauelemente als Präzisionsteile ausgeführt werden. Die Zahl der Bauelemente wie auch der Fehlerquellen steigt besonders schnell, wenn die Darstellung des Meßergebnisses in einem logarithmischem Maßstab erfolgen soll, also bei sogenannten Pegelmessern.

Der Erfindung liegen die Aufgaben zugrunde, ein Verfahren zur digitalen Messung elektrischer Spannungen zu schaffen, dessen Verwirklichung mit einer möglichst geringen Anzahl von Bauelementen und einer

do Mindestzahl von Präzisionsteilen möglich ist und bei dem weiterhin auch eine logarithmische Anzeige möglichst wenig zusätzlichen Aufwand erfordert.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch Verfahren gelöst, dessen zwei Ausgestaltungen in den

ds kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 beschrieben sind.

In Weiterbildung der Erfindung sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 5 und 4

Schaltungsanordnungen zur Durchführung der Verfahren beschrieben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die bei den bekannten Verfahren meist aufwendigere Messung mit logarithmicher Anzeige mit noch weniger Bauelementen verwirklicht werden kann, als die Messung mit linearer Anzeige. Die Meßgenauigkeit hängt hierbei nur vom Verhältnis der Kapazitäten von Speicher- und Hilfskondensator ab, nicht von deren absoluten Werten. Andere Bauteile und ihre Auswirkungen z. B. auf die Frequenz des Taktgenerators, haben keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit.

' Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Prinzipschaltung der Messung mit logarithmischer Anzeige,

F i g. 2 die Prinzipschaltung der Messung mit linearer

F i g. 3 Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Anhand der F i g. 1 soll zunächst das erfindungsgemaße Verfahren zur Messung einer elektrischen Spannung mit logarithmischer Anzeige erläutert werden. Die zu messende Spannung U_n, wird an die entsprechend gekennzeichneten Klemmen angelegt. Der Schalter Si wird geschlossen, bis sich der Speicherkondensator C, zum Zeitpunkt t„ auf eine Spannung U_n = U_m aufgeladen hat. Zu diesem Zeitpunkt t_n wird der Schalter S\ wieder geöffnet. Die dann im Speicherkondensator C, gespeicherte Ladung Q_n beträgt

und

(7)

Durch die Wahl des Kapazitätsverhältnisses k kann erreicht werden, daß

\Q„ « Q_n-

(8)

Dann kann die Entladung des Speicherkondensators C, als stetig verlaufend angesehen werden und verlauft nach der Funktion

Qn

= k.

Die Lösung dieser Differentialgleichung ist 1 ,_ Q,

(9)

(10)

Q_n = C₁CZ_n.

(D

Über den Schalter S₂ wird nun der Hilfskondensator C₂ mit dem Speicherkondensator Q verbunden und in erster Näherung auf die Spannung U_n aufgeladen. Seine Ladung beträgt dann

Q_n =

u„

oder mit (D

Q_n =

C₂

Q_n-

C₁ + C₂

Setzen wir für das Kapazitätsverhältnis

(2)

(3)

C₂

(4)

so wird

wobei χ die Zahl der Entladeschritte und Q_x die Ladung von Ci nach χ Entladeschritten ist.
Aus (4) und (10) folgt

(11)

Die Anzahl χ der Betätigungen des Schalters S₂, die erforderlich sind, um die Spannung am Speicherkondensator Ci von U_n auf U_x zu ändern, ist also proportional dem Logarithmus des Spannungsverhältnisses .':*. Durch geeignete Wahl des Kapazitätsverhältnisses k kann die Zählung der Entladungsschritte direkt in Dezibel oder Neper erfolgen. Vertauschen von U_x und U_n ermöglicht die Anzeige von positiven und negativen Pegeln.

Um eine lineare Anzeige zu erhalten, muß die schrittweise Entladung des Speicherkondensators G mit konstanten Ladungsmengen erfolgen. Der Schrittweise Abbau der Spannung an C₁ erfolgt dann am

konstante Beträge bis zur völligen Entladung. Anhand von F i g. 2 soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung elektrischer Spannungen mit linearer Anzeige erläutert werden. Die schrittweise Entladung des Speicherkondensators G erfolgt durch den Hilfskon-

50 densator C₂, der über den Schalter S₂ auf eine Hilfsspannung Uh aufgeladen und dann ebenfalls über den Schalter S₂ so an den Operationsverstärker OV geschaltet wird, daß die Ladung Qh des Speicherkondensators G subtrahiert wird.

Die im Speicherkondensator G zum Zeitpunkt T_n

Q_n = k Q_n .

55 Die im apeicnciMjmitiiatiiv,. -i --■ (5) ' gespeicherte Ladung Q_n beträgt wieder

Über den Schalter S₂ wird nun der Hilfskondensator C: vom Speicherkondensator G getrennt, kurzgeschlossen und seine elektrische Ladung in Wärme verwandelt. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis auch der Speicherkondensator G auf eine Bezugsspannung Lh entladen ist. Die dabei schrittweise aus dem Speicherkondensator G entnommene Ladungsmenge Qi- hängt nach (5) linear von der jeweiligen Ladung Qr ■ des Speicherkondensators G ab. Aus (1) und (5) folgt Q_n =

Der Hilfskondensator C: wird nun über den Schalter S> auf eine Hilsspannung LJi, aufgeladen. Seine Ladung (^beträgt

C, L

('S

()„

10., Wird Cj nun über den Schalter Λ'.· an den Speicherkondensator G und ilen in\ L-rticrctuien Ι'.ιηΐΜΐιμ di/*·

I)PCTaIUlIlSV₁-I-MaIkClS I M L'eli-i'l df! .i'i- ir.ll.-r

Rechenverstärker mit vernachlässigbarem Reststrom und ebenfalls vernachlässigbarer Offsetspannung angesehen werden kann, so wird die Ladung Q_n von G um den Betrag der Ladung Qh von G? vermindert. Nach diesem ersten Entladungsschritt beträgt die Ladung Q_n . ι von G

Qn _{+ 1}

oder, mit (1) und (12)

U_{n + 1} C₁ = U_nC₁- U_nC₂

= U_n- U_h

9 c,

(13)

(14)

(15)

Nach weiterer Umformung ergibt sich die Spannungsänderung Ube'i jedem Entladeschritt

u = U₁₁ -

= u_h

C₂

C₁ ·

(16)

Wiederholt man diesen Entladungsschritt so oft, bis G völlig entladen ist, so ist die Zahl der Entladungsschritte proportional der Spannung U_n = U,,,anC\.

Wählt man nun Uh, G und G so, daß beispielsweise Δ U = I mV ist, so zeigt der Zähler der notwendigen Entladcschritte die zu messende Spannung U_n, in Millivolt an. Die Genauigkeit dieses Meßverfahrens

hängt nur vom Kapazitätsvcrhältnis ,,' und der

¹1

Genauigkeit der Hilfsspannung ab. Die in F i g. 2 eingezeichneten Widerstände R\, Ri und R dienen lediglich zur Schaffung definierter Lade- und F.ntladezeiten, die nicht in die Genauigkeit des Meßergebnisses eingehen, solange diese Zeiten hinreichend klein sind.
In F i g. 3 ist ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Gleiche Bauelemente sind mit den gleichen Bezeichnungen versehen wie in den Prinzipschaltbildern Fig. 1 und 2. Die Schalter Si und S; werden als kontaktlose elektronische Schalter ausgeführt, die über Logikschaltungen betätigt werden. Mit dem Schalter S₁ kann der Hilfskondensator C₂ vor Beginn eines jeden Entladeschrittes entweder auf eine Hilfsspannung Uh aufgeladen werden oder aber völlig entladen werden. Die letztgenannte Schaltstellung des Si wird benutzt, wenn eine logarithmische Anzeige, also eine Pegelmessung gewünscht wird. In diesem Fall wird der Speicherkondensator G nur bis auf eine bestimmte Bezugsspannung (Λ entladen, die über den Schalter S an den Komparator K angelegt werden kann. In der Schaltstellung »lineare Anzeige« des Schalters Sj wire dahingegen der Speicherkondensator G völlig entladen In diesem Fall wird der eine Eingang des Komparator« K über den Schalter S» an Spannung Null gelegt. Dei Komparator K überwacht also den Ladezustand de; Speicherkondensators G- Ist die Ladung von G auf den' gewünschten Wert Null oder U₁ abgesunken, so stoppi der Komparator K über Steuerlogik SL und die Torschaltung T den Entladezyklus des Schalters S₂ Danach schließt die Steuerlogik SL den Schalter S,, se daß der Speicherkondensator G wieder auf dk Meßspannung U_n, aufgeladen werden kann. Nach erfolgter Ladung wird der Schalter Si über dk Steuerlogik wieder geöffnet, danach gibt die Steuerlo gik SL über die Torschaltung Tden vom Taktgeber TC veranlaßten schrittweisen Entladezyklus des Schalter" Si wieder frei. Die Anzahl der nötigen Entladeschritu wird durch die Zähl- und Anzeigeeinheit ZA gezählt gespeichert und angezeigt. Es ist nach dem bishei Gesagten verständlich, daß weder die Frequenz de Taktgebers TG noch die Schaltzciten der Steuerlogil. S/. einen Einfluß auf die Genauigkeit des Meßurgcbnis ses haben.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur digitalen Messung von elektrl· sehen Spannungen, wobei ein Speicherkondensator auf die zu messende Spannung aufgeladen wird, dann die Spannung des Speicherkondensators schrittweise um definierte Beträge bis auf Null oder bis auf eine definierte Bezugsspannung vermindert und die Zahl der dazu nötigen Entladungsschritte gezählt und angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur logarithmischen Anzeige die schrittweise Entladung des Speicherkondensators (Ci) um definierte Beträge durch mehrfaches Zuschalten eines Hilfskondensators (C2) erfolg«, der nach jeder Aufladung auf die Spannung des Speicherkondensators (Ci) wieder entladen wird.

2. Verfahren zur digitalen Messung von elektrischen Spannungen, wobei ein Speicherkondensator auf die zu messende Spannung aufgeladen wird, dann die Spannung des Speicherkondensators Schrittweise um definierte Beträge bis auf Null oder bis auf eine definierte Bezugsspannung vermindert und die Zahl der dazu nötigen Entladungsschritte gezählt und angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur linearen Anzeige die schrittweise Entladung des Speicherkondensators (Ci) um definierte Beträge durch mehrfache Subtraktion dir Ladung eines Hilfskondensators (C2) erfolgt, der vor jedem Entladungsschritt auf eine bestimmte konstante Spannung (LVaufgeladen wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die zur Aufladung des Speicherkondensators durch die zu messende Spannung einen von einer Steuerlogik gesteuerten kontaktlosen elektrischen Ladeschalter enthält, und die zur Feststellung der Entladung des Speicherkondensators auf einen Wert nahe Null oder auf eine definierte Bezugsspannung einen Komparator enthält, der bei dem durch einen Wahlschalter vorwählbaren Entladungszustand des Speicherkondensators einen Steuerimpuls erzeugt, der über die Steuerlogik den Ladeschalter für eine erneute Aufladung des Speicherkondensators mit der zu messenden Spannung schließt, dadurch gekennzeichnet, daß sie für die schrittweise Entladung des Speicherkondensators (Ci) durch den Hilfskondensator (C2) einem über eine Torschaltung (T) von einem Taktgeber (TG) gesteuerten, kontaktlosen, elektrischen Entlade-Umschalter (S7) 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 (C.) benötigten, von der Steuerlogik (SL) ermittelten und durch die Torschaltung (T) geschalteten Impulse des Taktgebers (TG) eine Zähl- und Anzeigeeinheit (ZA) enthält.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie für die Subtraktion der Ladung des vorher auf eine bestimmte Spannung (Uh)aufgeladenen Hilfskondensators (C2) von der Ladung des Speicherkondensators (Ci) 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 (C) um den Betrag der Ladung des Hilfskondensators (C2) vermindert wird.