DE2510986C3

DE2510986C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur digitalen Messung elektrischer Spannungen

Info

Publication number: DE2510986C3
Application number: DE2510986A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 5070 Bergisch Gladbach 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: 1978-03-09
Also published as: GB1500830A; DE2510986A1; DE2510986B2

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 Zah! der dazu nötigen Entladungsschritte gezählt und angezeigt wird, und Schaltungsanordnungen 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 definierie 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 Spannungsinipulsen mit bezüglich der Meßspannung entgegengesetztem Vorzeichen zum Iniegruiiunsverstärkereingang steuert, bis die Ausgangsspannung des Integrationsverstärkers auf die Bezugsspannung abgesunken ist, und mit einem Zahler zum Zählen der dem Verstärker zugeführlen .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 de-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 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 kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 beschrieben sind.

In Weiterbildung der Erfindung sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 3 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 logarithmischer 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.

Ausführungsbeispicle 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 Anzeige,

Fi g. 3 Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Anhand der F i g. 1 soll zunächst das erfindungsgemäße 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 Speichorkonde; lator Ci zum Zeitpunkt f„ auf eine Spannung U_n = U_n, aufgeladen hat. Zu diesem Zeitpunkt t„ wird der Schaller Si wieder geöffnet. Die dann im Speicherkondensator G gespeicherte Ladung Q_n beträgt.

Q_n = G U_n .

(I)

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

oder mit (1)

Qh = C₁ U₁₁

Q, = _C[ ^C;_C2 ■<?..

Setzen wir für das Kapazitütsvcrhültnis
C₂

k —

so wird

C₁ + C₂
Qh = k Q_n.

(3)

(4)

(5)

Über den Schalter S₂ wird nun der Hilfskondensator G vom Speicherkondensator G getrennt, kurzgeschlossen und seine elektrische Ladung in Wärme verwandelt. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis auch der Speicherkondensator Ci auf eine Bezugsspannung U₁ entladen ist. Die dabei schrittweise aus dem .Speicherkondensator G entnommene Ladungsmenge Q_n hängt nach (5) linear von der jeweiligen Ladung Q_n ι des Speicherkondensators Ci ab. Aus (I) und (5) folgt

Durch die Wahl des Kapazitätsverhältnisses k kann erreicht werden, daß

Q„

(8)

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

Dk Lösung dieser Differentialgleichung ist

x = \ In ff, (10)

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

C₁ + C₂
C, "

¹¹¹ £ ⁼

C₁ + <
G

In

(H)

Die Anzahl χ der Betätigungen des Schalters S₂. die erforderlich sind, um die Spannung am Speicherkondensator Ci von U_n auf iV, zu ändern, ist also proportional

dem Logarithmus des Spannungsverhähnisses *.

Durch geeignete Wahl des Kapazitätsverhältnisses k kann die Zählung der Entladungsschritie direkt in Dezibel oder Neper erfolgen. Vertauschen von U, 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 G erfolgt dann am 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 G erfolgt durch den Hilfskondensator G, der über den Schalter S.> 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 /um Zeitpunkt T_n gespeicherte Ladung ζ),, beträgt wieder

Q_n =■ c, ■ u„.

Der Hilfskondensator C₂ wird nun über den Schalter S₂ auf eine Hilsspannung Uh aufgeladen. Seine Ladung Qh bet ragt

Qh

C₁ ■ U„

(12)

Ο,,, = Qn Qh --■ Q_n -

(fit

Wird C> nun über den Schalter S"> an den Speicherkon densator Ci und den invertierenden F.ingang des Operationsverstärkers OV gelegt, der als idealer

Rechenverstärker mit vernachlässigbarem Reststrom und ebenfalls vernachlässigbarer Offsetspannung angesehen werden kann, so wird die Ladung Q_n von Ci um den Betrag der Ladung Qi, von O vermindert. Nach diesem ersten Entladungsschritt beträgt die Ladung Q_{n λ} ι von Cl

C₊, = Q_n - Q_n

oder, mit (1) und (12)

LZ_{n + 1} -C₁ = V_n-C_x - V_n-C₂
oder

_{11 + 1} = V_n -

<- 1

<i3i

(14)

Nach weiterer Umformung ergibt sich die Spannungsänderung (7bei jedem Entladeschritt

= V,- LZ_{n + 1} = U_h

C₂

(16)

Wiederholt man diesen Entladungsschritt so oft, bis G völlig entladen ist, so ist die Zahl der F.ntladungsschritte proportional der Spannung U_n = U,„an C₁.

Wählt man nun U_n, Ci und C₁ so, daß beispielsweise A Ü = 1 mV ist, so zeigt der Zähler der notwendigen Entladeschritte die zu messende Spannung U_n, in Millivolt an. Die Genauigkeit dieses Meßverfahrens

hängt nur vom Kapazitätsverhältnis _r ² und der

Genauigkeit der Hilfsspannung ab. Die in F i g. 2 eingezeichneten Widerstände R], /?> und R dienen lediglich zur Schaffung definierter Lade- und Fintladezeiten, 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 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. Mil dem Schalter S) kann der Hilfskondensator C? vor Beginn eines jeden Entladeschrittes entweder auf eine Hilfsspiinnung Uh aufgeladen werden oder aber völlig entladen werden. Die letztgenannte Schaltstellung des S₁ wird benutzt, wenn eine logarithmische Anzeige, also eine Pegelmessung gewünscht wird. In diesem Fall wird der Speicherkondensator Ci nur bis auf eine bestimmte Bezugsspannung L/, entladen, die über den Schalter Sa an den Komparator K angelegt werden kann. In der Schaitsteiiung »lineare Anzeige« des Schalters Sj wird dahingegen der Speicherkondensator C₁ völlig entladen In diesem Fall wird der eine Eingang des Komparator? K über den Schalter St an Spannung Null gelegt. Der Komparator K überwacht also den Ladezustand des Speicherkondensators C|. Ist die Ladung von C] auf dem gewünschten Wert Null oder U₁ abgesunken, so stopp! der Komparator K über Steuerlogik SL und die Torschaltung T den Entladezyklus des Schalters S₂ Danach schließt die Steuerlogik SL den Schalter Si, se daß der Speicherkondensator C₁ wieder auf die Meßspannung U_n, aufgeladen werden kann. Nach erfolgter Ladung wird der Schalter S₁ über die Steuerlogik wieder geöffnet, danach gibt die Steuerlogik SL über die Torschaltung Tden vom Taktgeber TC veranlaßten schrittweisen Entladezyklus des Schalters Sj 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 Steucrlogik SZ. einen Einfluß auf die Genauigkeit des Meßergebnisses haben.

I Ulm /U 2 Bkill Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 Zah! der dazu nötigen Entladungsschritte gezählt und angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur logarithmischen Anzeige die schrittweise Entladung des Speicherkoiidensators (Q) um definierie Beträge durch mehrfaches Zuschalten eines Hilfskondensator (C₂) erfolgt, der nach jeder Aufladung auf die Spannung des Speicherkondensators (Q) 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 Speicherkondensaiors 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 (Q) um definierte Beträge durch mehrfache Subtraktion der Ladung eines Hilfskondensator (Ci) erfolgt, der vor jedem Entladungsschriit auf eine bestimmte konstante Spannung (^aufgeladen wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die zur Aufladung des Speicherkondensators durch die zu messende Spannung einen von einer Sieuerlogik gesteuerten kontaktlosen elektrischen Ladeschalter enthält, und die zur Feststeilung 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 (C!) durch den Hilfskondensator (C2) einem 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 (Ci) 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 Hilfskondensator (C₂) von der Ladung des Speicherkondensators (Q) 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 (Q) um den Betrag der Ladung des Hilfskondensator
vermindert wird.