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Digitalvoltmeter Die Erfindung betrifft ein Digitalvoltmeter aus einem
den Zähltakt vorgebenden Generator und aus einem mit angeschlossenem Speicher und
damit verbundener Anzeige versehenen Mehrdekadenzähler, dessen Überlauf über eine
Integrations- und Komparatorschaltung mit der zu messenden Eingangsspannung den
Speichertakt liefert.
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Digitalvoltmeter werden beispielsweise dazu verwendet, analoge Meßwerte
digital anzuzeigen. Durch systembedingte Regelschwingungen oder durch infolge äußerer
Einflüsse hervorgerufene Schwingungen, z.B. beim Wiegen lebender Tiere, werden Meßwertanzeigen
erhalten, die sehr stark streuen, da jeweils nur eine Momentaufnahme angezeigt bzw.
registriert wird. Um zu einem aussagekräftigeren Meßergebnis zu gelangen, müssen
also eine Reihe von z.B. Gewichtsmessungen ausgeführt werden, um dann aus diesen
durch Mittelwertbildung die tatsächliche Gewichtsangabe zu erhalten.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Digitalvoltmeter so weiterzuentwickeln,
daß damit Summenmeßwerte gebildet werden können, um die Schwankungen der Einzelmeßwerte
auszugleichen.
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iese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Digitalvoltmeter der eingangs
angegebenen Gattung dadurch gelöst, daß Sählerüberlauf, Speichertakt und Zähltakt
des Grundgerätes an einen Meßwertintegrator angeschlossen sind, der einmal eine
Logikstufe umfaßt, die über eine erste Zeitstufe, die auf einen Startbefehl anspricht,
betätigt wird und die aus an den Zählerüberlauf, Speichertakt und Zähltakt anstehenden
Signalen einen Summenmeßwert integriert, und der zum anderen eine Zählstufe mit
Anzeige für die optische Wiedergabe bzw.
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die Registrierung des Summenmeßwertes sowie eine zweite Zeitstufe
mit der Fertigmeldung umfaßt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Digitalvoltmeter wird anstelle stark schwankender
Einzelmeßwerte, die erst in einem weiteren Schritt zeit- und kostenaufwendig in
einen Rechner eingegeben oder von Hand aufgezeichnet und gemittelt werden müssen,
um ein praktisch brauchbares Ergebnis zu erhalten, unmittelbar und schnell ein aussagekräftiger
Summenmeßwert gebildet.
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Vorzugsweise besteht die Logikstufe einmal aus einem der ersten Zeitstufe
über eine Leitung nachgeschalteten ersten Nandgatter, dessen zweiter Eingang über
eine Leitung an den Überlauf angeschlossen ist, und einer der ersten Zeitstufe über
eine Leitung nachgeschalteten dritten Zeitstufe, an die ein Zykluszähler über eine
Leitung und die Zählstufe über eine Leitung sowie ein zweiter Speicher aus zwei
Nandgattern über eine Leitung anschließen, zum anderen aus einem mit dem Speichertakt
über eine Leitung verbundenen kurzgeschlossenen zweiten Nandgatter und aus einem
ersten Speicher aus zwei Nandgattern besteht, deren freie Eingänge über Leitungen
mit dem ersten bzw. zweiten Nandgatter verbunden sind, wobei der Ausgang des einen
Nandgatters des ersten Speichers über eine Leitung und ein viertes Nandgatter mit
dem Zykluszähler verbunden ist, und weiterhin aus einem dritten Nandgatter besteht,
dessen Ausgang über eine Leitung an die Zählstufe anschließt
und
dessen einer Eingang über eine Leitung mit dem Zähltakt und dessen zweiter Eingang
über eine Leitung und eine Diode mit dem zweiten Speicher sowie über eine Leitung
und eine Diode mit dem Ausgang des anderen Nandgatters des ersten Speichers verbunden
ist.
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Zweckmäßig sind dem ersten und dem zweiten Nandgatter je ein dem jeweiligen
Eingang über Leitungen zugeordneter erster bzw. zweiter Schmitt-Trigger und diesen
jeweils eine erste bzw. zweite Entkopplungsstufe aus je zwei Invertern vorgeschaltet.
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Vorteilhaft ist dem einen Eingang des dritten Nandgatters eine dritte
Entkopplungsstufe aus zwei Invertern vorgeschaltet.
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Zweckmäßig ist dem einen Eingang des ersten Nandgatters ein erstes
Differenzierglied aus einem Kondensator mit Widerstand vorgeschaltet.
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Vorteilhaft ist auch dem Eingang des einen Nandgatters des zweiten
Speichers ein zweites Differenzierglied aus einem Kondensator mit Widerstand vorgeschaltet.
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Die Zählstufe kann aus mehreren Dekadenzählern sowie aus einem dritten
Speicher aus zwei Nandgattern bestehen, dem ein drittes Differenzierglied aus einem
Kondensator mit Widerstand vorgeschaltet ist.
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Vorteilhaft wird die zweite Zeitstufe über eine Leitung an den Ausgang
des einen Nandgatters des zweiten Speichers und den freien Eingang des vierten Nandgatters
angeschlossen.
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Der Zykluszähler kann ein erster Dekadenzähler in, er kann aber auch
aus diesem und aus einem weiteren Zählglied gebildet sein.
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die Erfindung wird nachfolgend anhand@@@, Zeichnung in einem Beispiel
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Grundgerätes
und des Meßwertintegrators des erfindungsgemäßen Digitalvoltmeters; Fig. 2 ein Schaltsystem
des Grundgerätes gemäß Fig. 1; Fig. 3 Spannungs-Zeit-Diagramme des Grundgerätes
und Fig. 4 eine Schaltübersicht des Meßwertintegrators gemäß Fig. 1.
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Bei stark schwankenden Meßwerten, z.B. beim Wiegen lebender Tiere,
ist es zweckmäßig, mehrere Einzelmeßwerte zu mitteln, um ein aussagekräftiges Meßergebnis
zu erhalten. Hierzu bietet sich unter Verwendung eines in Fig. ischematisch dargestellten
Grundgerätes 1 eines Digitalvoltmeters eine digitale Integration an, indem an Zählerüberlauf
b, Speichertakt c und Zähltakt d des Grundgerätes 1 ein Meßwertintegrator 5 angeschlossen
wird. Dieser besteht aus einer Logikstufe 2, die z.B. in TTL-Technik (Transistor-Transistor-Logik-Technik)
zwei in C-MOS-Technik (Complementary-Metal-Oxyd-Semiconductortechnik) oder in einer
anderen Logik-Technik ausgeführt sein kann, mit einer vorgeschalteten ersten Zeitstufe
M1, die auf einen Startbefehl a anspricht und mit einer nachgeschalteten Zählstufe
4 mit Anzeige 40 sowie mit einer ebenfalls nachgeschalteten zweiten Zeitstufe M2
für die Fertigmeldung e.
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Aufbau und Funktionsweise eines im Beispiel vereinfacht dargestellten
Grundgerätes 1 eines Digitalvoltmeters sind, wie die Fig. 2 und 3 zeigen, z.B. folgende:
Ein Mehrdekadenzähler 10 wird von einem Generator 11 (Spannung Ug) kontinuierlich
getaktet. Im Augenblick des Überlaufs des Mehrdekadenzählers
10
(Spannung Uz), z.B. von 990 auf 000, wird ein Sägezahn- oder Dreieck-Integrator
13 gestartet. Die entsprechend dem Zählerwert ansteigende Spannung Uy an dessen
Ausgang wird in einem Komparator 15 (Spannung Uk) mit der zu messenden, über einen
Eingangsverstärker 14 verstärkten unbekannten Spannung Ux verglichen. Bei Gleichheit
der Spannungen Ux und Uy bewirkt der Wechsel der Komparatorspannung Uk über eine
Zeitstufe 16 (Spannung Us) den Speichertakt c für einen Zwischenspeicher 12, der
zwischen Mehrdekadenzähler 10 und Anzeige 100 angeordnet ist. Der Speichertakt c
kann auch auf andere bekannte Weise gewonnen werden, beispielsweise nach dem Doppelrampen-Integrationsverfahren
(Dual-Slope). Die jeweilige Spannungscharakteristik geht aus den Spannungs(U)-Zeit(t)-Diagrammen
der Fig. 3 hervor.
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Zum Zwecke der digitalen Integration werden die Steuersignale des
Grundgerätes 1 des Digitalvoltmeters verwendet, und zwar die Signale Zählerüberlauf
b, Speichertakt c und Zähltakt d.
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Auf den Startbefehl a hin, vergleiche Fig. 1, wird über die monostabile
Zeitstufe M1 in der Logikstufe 2, deren Aufbau in Fig. 4 in einem Beispiel näher
erläutert ist , ein Tor G7 geöffnet. Mit dem ankommenden Signal Zählerüberlauf b
wird in der Logikstufe 2 ein Speicher S1 gesetzt und damit ein weiteres Tor G14
für das Signal Zähltakt d geöffnet. Die Zählimpulse laufen in einen mehrstelligen
Zähler der Zählstufe 4.
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Zurückgesetzt wird der Speicher S1 mit dem Signal Speichertakt c aus
dem Grundgerät 1. Damit wird zugleich das Tor G14 für die Zählimpulse gesperrt.
Somit ist ein Meßzyklus abgelaufen und die Anzeige 40 der Zählstufe 4 des Meßwertintegrators
5 zeigt beim Abschluß des ersten Meßzyklusses den gleichen Wert an wie die Anzeige
100 des Grundgerätes 1 des Digitalvoltmeters. Dieser Vorgang wiederholt sich, wobei
jedesmal der neu hinzu kommende Meßwert im Zähler 4 aufsummiert wird. Auch die Meßzyklen
werden in einem besonderen Zykluszähler 17 gezählt und nach Erreichen einer vorbestimmten
Meßzyklenzahl, z.B. 10, 50 oder 100, wird der Integrationsvorgang
abgebrochen.
Das auf der Anzeige 40 ablesbare Ergebnis kann unmittelbar ausgewertet oder zur
Registrierung gebracht werden. Die Registrierung kann automatisch über die Fertigmeldung
e erfolgen.
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In Fig. 4 ist eine Schaltübersicht einer praktisch erprobten Ausführungsform
der Integrierstufe 5 dargestellt. Aufbau und Funktionsweise sind folgende: ein der
verwendeten TTL-Technik gerecht werdendes, von einem nicht dargestellten Befehlsgerät,
z.B. einem Taster, eingegebenes Startsignal a startet die monostabilde erste Zeitstufe
M1, die die externen Bauelemente Widerstand R1, Kondensator C1 und Diode D1 einschließt.
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Deren Ausgang geht auf log H, d.h. von niedrigem (log L) auf hohes
Potential (log H) und zwar für eine bestimmte Zeitdauer tp, die sich aus der Bemessung
der externen Bauelemente Widerstand R1 (22 k #) und Kondensator C1 (250/uF) der
ersten Zeitstufe M1 nach der Formel bestimmt: tp # 0,28 R1#C1.
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Das während dieser Zeitdauer tp von der ersten Zeitstufe M1 ausgesandte
Ausgangssignal öffnet über eine Leitung L1 ein erstes Nandgatter G7. Das gleiche
Signal stößt eine dritte monostabile Zeitstufe M3, die die externen Bauelemente
Widerstand R3 (6,8 k#) und Kondensator C4 (330 pF) einschließt, an, deren Ausgangssignal
von ca. 2/u s Dauer die Anfangsbedingungen schafft und alle in dem Meßwertintegrator
5 enthaltenen Dekadenzähler Z1 bis Z6 auf 0 zurücksetzt. Dies geschieht über eine
Leitung L2, die einmal über die dritte Zeitstufe M3 und eine Leitung L3 in einen
Zykluszähler 17, im Beispiel ein Dekadenzähler Z1, führt, der die Zahl der Integrationszyklen
vorgibt, im Beispiel somit 10 Zyklen.
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Dies geschieht weiterhin über eine Leitung L5, die in die Zählstufe
4 mit den Dekadenzählern Z2 bis Z6, die die Einer E bis zu den Zehntausendern ZT
zählen, führt, sowie über Leitungen L4 und L16, die invertiert in ein Nandgatter
G18 führen, das zusammen mit einem Nandgatter G17 einen dritten Speicher S3 bildet,
der im Beispiel den 100.000er Zahlenwert HT
(0 bzw. 1) anzeigt.
Der dritte Speicher 53 ist anstelle eines Dekadenzählers verwendbar, da die Summe
der im Beispiel gewählten Meßzyklen keinen höheren Gesamtzahlenwert ergibt. Dieses
Nullsetzsignal in inverser Form setzt weiterhin einen zweiten Speicher S2, der aus
zwei Nandgattern G12, G13 gebildet ist. Der Ausgang des Nandgatters G12 liegt nach
dem Nullsetzen auf log H.
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Das anliegende Signal Zählerüberlauf b, das den Beginn des Arbeitszyklusses
des Grundgerätes 1 anzeigt, gelangt über zwei Inverter G1, G3, die eine erste Entkopplungsstufe
8 bilden, zu einem ersten Schmitt-Trigger G5. An dessen Ausgang liegt das TTl-gerecht
aufgearbeitete Signal Zählerüberlauf b in inverser Form an. Geht der Ausgang des
Schmitt-Triggers G5 auf log H, so wird das Signal Zählerüberlauf b über einen Kondensator
C2 (560 pF), der mit einem Widerstand R2 (180#) ein erstes Differenzierglied 3 bildet,
differenziert (Spannungsspitze). Der über eine Leitung L6 mit dem Schmitt-Trigger
G5 verbundene zweite Eingang des ersten Nandgatters G7 geht kurzzeitig (um den Speichertakt
c nicht zu überdecken) auf log H.
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Da das erste Nandgatter G7 bereits durch den Startbefehl a über die
erste Zeitstufe M1 geöffnet ist, gelangt das differenzierte Signal Zählerüberlauf
b aus dem ersten Schmitt-Trigger G5 über das erste Nandgatter G7 invertiert über
eine Leitung L8 in ein Nandgatter G9, das mit einem Nandgatter G10 einen ersten
Speicher S1 bildet. Der Ausgang des Nandgatters G9 geht auf log H und damit auch
gleichzeitig die Kathode einer Diode D2, deren Anode mit einem Eingang eines dritten
Nandgatters G14 über eine Leitung L12 verbunden ist, wobei die Anode der Diode D2
über einen Widerstand R4 (1 k#) mit der positiven Speisespannung verbunden ist.
An der Kathode einer in einer Leitung L11, die zum dritten Nandgatter G14 führt,
vorgesehenen Diode D4 liegt über das eine Nandgatter G12 des zweiten Speichers S2
log H an, wie oben beschrieben.
a@n über in der Zeitung @@ @rgebrachte
zwei erster G15, G16, die eine drtt Lr gstufe 9 bilden, und das nun geöffnete dritte
Nandgatter G14 das Signal Zählertakt d aus dem Grundgerät 1 über eine Leitung L10
in die Zählstufe 4 laufen. In die Zählstufe 4 laufen solange Signale Zähltakt d
ein, wie das Tor, gebildet aus dem dritten Nandgatter G14, nicht über die Diode
D4 oder die Diode D2 geschlossen wird.
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Das Schließen geschieht einmal über die Diode D2, sobald erste Speicher
S1 über eine Leitung L9 durch das Signal Speichertakt c über eine zweite Entkopplungsstufe
80 aus Invertern G2, G4 sowie einen zweiten Schmitt-Trigger G6 und ein damit über
eine Leitung L7 verbundenes, als Inverter eschaltetes zweites Nandgatter G8 zurückgesetzt
wird. Der Ausgang des einen Nandgatters G9 des ersten Speichers S1 geht dann auf
log L, womit das dritte Nandgatter G14 über eine Leitung L12 für das Signal Zähltakt
d gesperrt ist.
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Gleichzeitig schaltet der Ausgang des anderen Nandgatters G10 des
ersten Speichers S1 auf log H, wodurch über eine Leitung L14 ein Eingang eines vierten
Nandgatters G11 eben-Halls log H erhält. Der andere Eingang des vierten Nandgatters
G11 steht bereits über das eine Nandgatter G12 des zweiten Speichers S2 (Leitung
L15) auf log H. Damit springt nun der Ausgang des vierten Nandgatters G11 auf log
L um.
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Somit zählt der damit über eine Leitung L17 verbundene Zykluszähler
17, im Beispiel der Dekadenzähler Z1, um einen Schritt weiter.
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Der erste Speicher S1 wird erneut auf log H gesetzt, sobald das Signal
Zählerüberlauf b erneut erscheint, das, wie bereits erwähnt, über das erste Differenzierglied
3 differenziert weitergeleitet wird. Die Rücksetzung des ersten Speichers S1 erfolgt
wiederum mit dem Signal Speichertakt c. Auf
die gleiche Weise wird
jeder weitere Zyklus verarbeitet und im Zykluszähler 17 gezählt.
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Am Ende des Gesamtzyklusses läuft der Dekadenzähler Z1 über und es
erscheint an dessen Ausgang ein log H @ log L-Übergang (im Beispiel von Zählerstand
9 auf 0), der an einem zweiten Differenzierglied 6 aus einem Kondensator C5 (220
pF) und einem Widerstand R6 (1,2 k@) zu einem Spannungssprung differenziert wird.
Der kurze Spannungssprung nach 0 bewirkt über eine Leitung L13 ein Rücksetzen des
zweiten Speichers S2, so daß am Ausgang des Nandgatters G12 dann log L anliegt.
Damit ist aber das dritte Nandgatter G14 über die Diode D4 und die Leitung Lll gesperrt
und der Integrationsvorgang beendet.
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Mit dem Rücksetzen des zweiten Speichers S2 wird zugleich über die
Leitung L15 das vierte Nandgatter G11 gesperrt und damit auch über die Leitung L17
der Zykluszähler 17 festgehalten. Das gleiche Signal wird über eine Leitung L18
der zweiten Zeitstufe M2, die die externen Bauelemente Widerstand R5, Kondensator
C3 und Diode D3 einschließt, aufgegeben, die die Fertigmeldung e über eine Zeitdauer
tp # 0,28# R5 (22 k#) C3 (33/uF) anstehen läßt, um das Integrationsergebnis aufzeichnen
zu können. Dieses steht in den Dekadenzählern Z2 bis Z6 und im dritten Speicher
S3 am Ausgang des Nandgatters G17 an. Der dritte Speicher S3 wird beim Überlaufen
des Dekadenzählers Z6 gesetzt, indem über ein drittes Differenzierglied 7 aus einem
Kondensator C6 (2,2 nF) und einem Widerstand R7 ( 1 k#) differenziert wird, also
ein Spannungssprung ausgelöst wird.
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Um Spannungsspitzen in den Eingängen der Nandgatter G13, G17 zu vermeiden,
sind vor dem zweiten Speicher S2 und dem dritten Speicher S3 Überspannungskappdioden
ZD1 und ZD2 (Zenerdioden) angeordnet.
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im Beispiel ist lediglich ein 10maliges Aufsummieren möglich. Durch
eine entsprechende Erweiterung der Schaltung kann die Anzahl der Meßzyklen jedoch
beliebig geändert werden, z. B. durch Ergänzen des Zykluszählers 17 mit dem Dekadenzähler
Z1 um ein weiteres Zählglied, so daß z.B. ein 50-oder 100maliges Aufsummieren möglich
ist. Weiterhin können auch die aus Widerständen und Kondensatoren gebildeten Differenzierglieder
3 bzw. 6 durch monostabile Zeitstufen ersetzt werden, um auf diese Weise die Impulslänge
der Steuersignale zum Setzen der Speicher S1 bzw. S2 zu verkürzen.
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Patentansprüche: