DE2536160B1

DE2536160B1 - Abstimmbare schaltungsanordnung zur selektiven messung von kenngroessen einer wechselspannung oder wechselspannungsgruppe

Info

Publication number: DE2536160B1
Application number: DE19752536160
Authority: DE
Inventors: Martin Ing Ebisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-13
Filing date: 1975-08-13
Publication date: 1976-12-09
Also published as: DE2536160A1

Description

Andererseits ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der ein Rauschspannungsspektrum in einem Umsetzer mit Hilfe einer auf die Mittenfrequenz des Spektrums einstellbaren Trägerspannung in ein die Frequenz Null mit einschließendes Frequenzband umgesetzt, in einem Tiefpaßfilter selektiert und nach Verstärkung bezüglich der in ihm enthaltenen Rauschleistung ausgewertet wird (vgl. DT-PS 11 00 805). Für die Auswertung einer einzelnen Wechselspannung oder einer Wechselspannungsgruppe eignet sich diese Schaltungsanordnung jedoch nicht, da jede ungewollte
Phasenverschiebung der Trägerspannung gegenüber den Wechselspannungen das Meßergebnis beeinflußt, so daß hierauf zurückgehende Fehlmessungen nicht ausgeschlossen werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bezüglich der Meßgenauigkeit so zu verbessern, daß sie in einem wesentlich größeren Rahmen als bisher verwendet werden kann und insbesondere für Messungen einsetzbar ist, bei denen die bezüglich ihrer Kenngrößen auszuwertende Wechselspannung oder Wechselspannungsgruppe an beliebigen Stellen innerhalb eines sehr großen relativen Frequenzbereiches liegen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Schalter vorgesehen ist, der den Weg der Wechselspannungen periodisch unterbricht, daß während der Unterbrechungsphase jede der an den Ausgängen der Gleichspannungsverstärker auftretenden Fehlspannungen abgetastet und einem Eingang des jeweils zugeordneten Gleichspannungsverstärkers als Kompensationsspannung mit einer solchen Amplitude und Polarität zugeführt wird, daß eine Fehlspannungskompensation eintritt, und daß die Kompensationsspannungen nach Speicherung auch während der jeweils folgenden Durchschaltphase des Schalters wirksam bleiben.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß der Meßfehler der bekannten Schaltungen, der auf Fehlspannungen der Umsetzer, durch Unsymmetrien hervorgerufen, und Offset-Spannungseinflüsse bei den Gleichspannungsverstärkern zurückgeht, beseitigt wird. Damit ist es möglich, die Schaltungsanordnung nach der Erfindung erstmals auch für die genaue selektive Messung von Wechselspannungsamplituden oder Spannungspegeln innerhalb großer relativer Frequenzbereiche einzusetzen, ohne eine Mehrzahl von Zwischenfrequenz-Umsetzungsstufen vorschalten zu müssen. Die gewünschte Selektivität und Verstärkung wird nämlich schon durch eine entsprechende Bemessung der Grenzfrequenzen der Tiefpaßfilter und des Verstärkungsgrades der Gleichspannungsverstärker auf relativ einfache Weise erreicht, so daß die bei vergleichbaren selektiven Spannungs- oder Pegelmessern herkömmlicher Art nur mit einem großen Schaltungsaufwand in der Zwischenfrequenzebene zu lösenden Probleme einer mehrfachen Frequenzmischung, Selektion und Verstärkung entfallen. Analog hierzu sind auch andere Kenngrößen der eingangsseitigen Wechselspannungen innerhalb großer relativer Frequenzbereiche mit geringerem Schaltungsaufwand als bisher selektiv meßbar.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Vorumsetzungsstufe vorgesehen, die einen eingangsseitigen großen relativen Frequenzbereich mittels einer zugeordneten, in der Frequenz einstellbaren Trägerspannung auf ein den beiden Umsetzern zugeführtes Zwischenfrequenzband umsetzt, innerhalb dessen jede Frequenz durch eine entsprechende Frequenzeinstellung der den letzteren zugeführten Trägerspannung auf null Hz umsetzbar ist. Hierdurch wird erreicht, daß große relative Frequenzbereiche mit wenig aufwendi- -gen Frequenzeinstellmitteln für die beteiligten Trägerspannungen, beispielsweise mittels Drehkondensatoren oder Varaktoren, ohne Bereichsumschaltung überstrichen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbei- spiele näher erläutert. Dabei zeigt F i g. l ein erstes Ausführungsbeispiel, das das Erfindungsprinzip deutlich erkennen läßt, Fig. 2 ein Schaltspannungsdiagramm zur Erläuterung von F i g. 1, F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 4 ein Schaltspannungsdiagramm zur Erläuterung von Fig. 3, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel zur Ermittlung von Spannungsdifferenzen sowie zur automatischen Frequenznachregelung und F i g. 6 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung im Rahmen einer Meßschaltung zur Durchführung von Schleifenmessungen.
In Fig 1 liegt eine in bezug auf ihre Kenngrößen auszuwertende Wechselspannung Ux am Schaltungseingang 1. Von hier gelangt sie über einen umschaltbaren Dämpfungsvierpol (Eichleitung) 2 zu einem Schalter 3, dessen Ausgang mit den Eingängen zweier Umsetzer 4 und 5 verbunden ist. Beide Umsetzer 4, 5 werden mit einer von einem Generator 6 gelieferten Trägerspannung Ut mit einer Phasendifferenz von 90° ausgesteuert.
Zu diesem Zweck ist inn der Trägerspannungszuleitung des Umsetzers 5 ein 90°-Phasenschieber 7 vorgesehen, der aber beispielsweise auch durch einen Phasenschieber von +45° in der Zuleitung zu dem einen und einen Phasenschieber von -45° in der Zuleitung zum anderen Umsetzer oder in ähnlicher Weise ersetzt werden kann.
Wird die Frequenz des Generators 6 so eingestellt, daß Ut und Ux in der Frequenz übereinstimmen, so werden von den Ausgängen der Umsetzer 4 und 5 koordinierte Gleichspannungssignale U, und U2 abgegeben, die jeweils in den Tiefpaßfiltern 8 und 9 selektiert und in nachgeschalteten Gleichspannungsverstärkern 10 und 11 verstärkt werden. Deren Ausgänge 12 und 13 sind mit Abtast- und Speicherschaltungen 14 und 15 verbunden, die vorzugsweise aus Operationsverstärkern 16, 17 mit kapazitiven Rückkopplungszweigen 18, 19 von den Ausgängen zu den invertierenden Eingängen bestehen.
Die Ausgänge von 16 und 17 sind jeweils mit Eingängen der zugeordneten Gleichspannungsverstärker 10 und 11 verbunden, während die invertierenden Eingänge über Schalter 20 und 21 an den Ausgängen 12 und 13 liegen und die nicht invertierenden Eingänge mit Nullpotential beschaltet sind. Die Ausgänge 12 und 13 sind weiterhin mit einer Auswerteeinrichtung 22 und einer nachgeschalteten Anzeigevorrichtung 23 verbunden.
Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 sei anhand der Diagramme von F i g. 2, die die Zeitabhängigkeit der den vorhandenen Schaltern von einem Taktgeber TG zugeführten Schaltspannungen zeigen, näher erläutert. In den Durchschaltphasen des Schalters 3, die in F i g. 2 durch die gegenüber der Zeitachse t nach oben versetzten Teilstücke 24, 25 usw. des Schaltspannungsverlaufes U3 dargestellt sind, gelangen die koordinierten Gleichspannungssignale U1 und U2 nach Selektion und Verstärkung über die Ausgänge 12 und 13 zur Auswerteeinrichtung 22. In den Unterbrechungsphasen 26, 27 usw. des Schalters 3, in denen Ux von den Eingängen der Umsetzer 4 und 5 abgeschaltet ist, erscheinen dagegen zunächst lediglich Fehlspannungen, die auf Unsymmetrien der Umsetzer 4 und 5 sowie auf Offset-Spannungseinflüsse der Gleichspannungsverstärker 10 und 11 zurückgehen, an den Ausgängen 12 und 13. Die im Gegentakt zum Schalter 3 betätigten Schalter 20 und 21, deren im Verlauf übereinstimmende Schaltspannungen ebenfalls in F i g. 2 dargestellt sind, bewirken nun während ihrer Durchschaltphasen 28, 29 usw. die Anschaltung der jeweils anstehenden Fehlspannungen an die Abtast- und Speicherschaltungen 14 und 15. Innerhalb der Schaltkreise 10, 12, 14 und 11, 13, 15 entsteht bei geschlossenen Schaltern 20 und 21 eine Regelwirkung, durch die an den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 16 und 17 und damit an den Ausgängen 12 und 13 jeweils eine Potentialverschiebung praktisch auf das den nicht invertierenden Eingängen von 16 und 17 anliegende Nullpotential hervorgerufen wird, während sich an den Ausgängen von 16 und 17 Kompensationsspannungen Ukl und Uk2 aufbauen, die unter der Voraussetzung, daß sie den von 8 bzw. 9 zugeführten, eingangsseitigen Fehlspannungen an den Gleichspannungsverstärkern 10, 11 entgegengepolt sind, eine solche Amplitude erreichen, daß sich die genannten Potentialverschiebungen einstellen. Damit ergibt sich an den Ausgängen 12 und 13 eine einwandfreie Fehlspannungskompensation.
Die unterschiedliche Polung der den Gleichspannungsverstärkern 10, 11 von den Tiefpaßfiltern 8 bzw. 9 einerseits und von den Operationsverstärkern 16, 17 andererseits zugeführten Spannungen kann dabei, wie in F i g. 1 gezeigt ist, in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß 10 und 11 als Differenzverstärker ausgebildet und die einander entgegenzupolenden Spannungen jeweils unterschiedliche Vorzeichen aufweisenden Eingängen zugeführt werden. Durch ein Öffnen der Schalter 20 und 21 während der Durchschaltphasen 24, 25 usw. des Schalters 3 wird eine Verfälschung der in den Rückkopplungszweigen 18 und 19 gespeicherten Kompensationsspannungen Uk11, Uk2 dirch die koordinierten Signale U1, U2 vermieden, so daß auch in der jeweils folgenden Durchschaltphase 24, 25 usw. eine einwandfreie Fehlspannungskompensation erzielt wird.
Die an den Ausgängen 12 und 13 auftretenden, koordinierten und in der beschriebenen Weise von Fehlspannungen breiften Signale U1 und U2, die im Takte des Schalters 3 impulsweise anstehen, werden in der Auswerteeinrichtung 22 gemeinsam ausgewertet Zur Ermittlung des Effektivwertes der Wechselspannung Ux wird in 22 eine Ausgangsspannung gebildet, die der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Spannungsamplituden von U1 und U2 entspricht. Die impulsweise auftretende Ausgangsspannung von 22 führt dabei zu einer bestimmten Auslenkung eines in der Anzeigevorrichtung 23 vorgesehenen Zeigerinstruments 23a, das bei hinreichender Trägheit bzw.
genügend schneller Umschaltfrequenz des Schalters 3 den Mittelwert der von 22 gelieferten Impulsspannungen und damit den genauen Effektivwert von Ux anzeigt.
Zum Zwecke einer digitalen Auswertung der Kenngrößen von Ux ist es andererseits auch möglich, die koordinierten Signale U1 und U2 jeweils getrennten, periodisch arbeitenden Analog-Digitalwandlern 30, 31 zuzuführen und die von diesen gleichzeitig erhaltenen Signale einem Rechner 32 parallel einzugeben. Der Rechner 32 ist dabei so programmiert, daß er die ihm gleichzeitig zugeführten Signale zu den gewünschten Kenngrößen von Ux verarbeitet Diese bestehen beispielsweise aus dem bereits bei der analogen Auswertung behandelten Effektivwert Ux, eff der Wechselspannung Ux, der nach der Beziehung gebildet wird, aus dem auf einen vorgegebenen Spannungswert U0 bezongenen Pegelwert px von Ux, der sich nach der Formel errechnet, oder aus dem von den Spannungen Ux und Ut eingeschlossenen Phasenwinkel #x, der sich aus der Beziehung ergibt.
Andererseits kann Ux auch durch die Angabe seiner Vektorkoordinaten ausgewertet werden, wobei die digitalisierten Werte von U1 und U2 unmittelbar den Real- und Imaginärteil und damit die rechtwinkligen Koordinaten des Spannungsvektors von Ux darstellen oder auf die entsprechenden Polarkoordinaten des Vektors, d. h. auf seinen absoluten Betrag und seinen Phasenwinkel gegenüber der Spannung Ut, umgerechnet werden. Neben der digetalen Darstellung der errechneten Kenngrößen in einem Ziffernfeld 33 ist es weiterhin möglich, die digitalen Signale, die dem Effektivwert Ux.eff oder den genannten Koordinaten entsprechen, in einem Digital-Analogwandler 34 in analoge Größen umzuwandeln und den Effektivwert Ux, eff mittels eines Zeigerinstruments 35 anzuzeigen oder den Spannungsvektor von Ux mittels eines Registrier- oder Sichtgeräts, z. B. mittels eines Kathodenstrahloszillografen 36, darzustellen.
Wird der erfindungsgemäßen Schaltung anstelle einer Wechselspannung Ux eine Gruppe von Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen zugeführt, so wird der Effektivwert aller in den Ubertragungsbereich der Tiefpaßfilter 8, 9 umgesetzten Wechselspannungen ermittelt. Hierbei treten koordinierte Signalgruppen an die Stelle der koordinierten Signale U, und U2. Handelt es sich andererseits um ein dem Schaltungseingang zugeführtes Rauschspannungsspektrum, so wird von diesem der Effektivwert der in den genannten Durchlaßbereich umgesetzten Rauschspannungen bewertet.
In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das sich von dem ersten zunächst darin unterscheidet, daß die in Fig. 1 lediglich durch ihre allgemeinen Symbole dargestellten Tiefpaßfilter 8 und 9 nunmehr durch aktive Tiefpaßfilterschaltungen 55 und 56 ersetzt sind und daß die koordinierten Signale U, und U2 Abtast- und Speicherschaltungen 37 und 38 zugeführt werden. Diese bestehen zweckmäßigerweise aus Ladekondensatoren 39 und 40, denen als Impedanzwandler geschaltete Operationsverstärker 41 und 42 nachgeschaltet sind. Die Zuführung von U1 und U2 erfolgt über Schalter 43 und 44, die durch Schaltspannungen U43 und U44 des Taktgebers TG betätigt werden.
Wie die Schaltspannungsdiagramme der F i g. 4 zeigen, sind die Schalter 43 und 44 jeweils nur in den Zeitabschnitten 45, 46 usw. durchgeschaltet, die innerhalb der Durchschaltphasen 24, 25 usw. des Schalters 3 liegen. Die in diesen Zeitabschnitten von den Abtast- und Speicherschaltungen 37 und 38 übernommenen Signale U1 und U2 werden mittels der Ladekondensatoren 39 und 40 gespeichert. Wesentlich ist hierbei, daß die Durchschaltungen der Schalter 43 und 44 möglichst kurzzeitig sind, jeweils gleichzeitig erfolgen und gegenüber dem Beginn der Durchschaltphasen 24 und 25 mit einer solchen zeitlichen Verzögerung einsetzen, daß die Signale U1 und U2 jeweils bereits weitgehend eingeschwungen sind. Dies ist mit Sicherheit dann der Fall, wenn die in F i g. 4 mit 47 und 48 bezeichneten Verzögerungszeiten so groß sind, daß sie einem Mehrfachen der Einschwingzeiten der Tiefpaßfilterschaltungen 55 und 56 entsprechen. Bei einer Verzögerungszeit, die z. B. dem 7fachen Wert der Filtereinschwingzeiten entspricht, reduziert sich der durch das Einschwingverhalten der Schaltung entstehende Amplitudenfehler für U1 bzw. U2 bereits auf etwa 1%..
Durch die Anordnung der Abtast- und Speicherschaltungen 37 und 38 ist es möglich, die digitale Auswertung der Kenngrößen von Ux in wesentlich einfacherer Weise vorzunehmen als es anhand von Fig.l beschrieben wurde. Wird nämlich ein Umschalter 49 vorgesehen, der im Takte der Schalter 43 und 44 während deren Unterbrechungsphasen die Signale U1 und U2 nacheinander an den Eingang ein und desselben Analog-Digitalwandlers 50 durchschaltet, so können die von diesem auch nacheinander gebildeten digitalen Signale einem Rechner 51 seriell eingegeben und in diesem zu den gewünschten, anhand von Fig. 1 und den Beziehungen (1) bis (3) beschriebenen, Kenngrößen verarbeitet werden, die dann wieder entsprechend Fig. 1 zur Anzeige gelangen. Zum Zwecke einer wechselseitigen Anschaltung von U, und U2 an den Analog-Digitalwandler 50 wird dem Umschalter 49 eine Schaltspannung U49 entsprechend Fig. 4 zugeführt, die ebenfalls vom Taktgenerator TG geliefert wird. Hierbei ist dafür Sorge zu tragen, daß der Analog-Digitalwandler 50 von dem jeweils in der Schaltung 38 gespeicherten Wert von U2 so rechtzeitig wieder freigeschaltet wird, daß der nächstfolgende Abtast- und Speichervorgang den zuletzt übertragenen Wert nicht beeinflussen kann. Dies wird dadurch erreicht, daß die Schaltspannung U49 an den Flanken 52,53 usw. zeitlich so dimensioniert ist, daß während der den Abtastvorgängen zugeordneten Zeitabschnitte 45, 46 usw. der Umschalter 49 eine mittlere Raststellung 54 einnimmt, in der er kein Signal an den Eingang von 50 durchschaltet Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind, wie bereits erwähnt, die Tiefpaßfilter 8 und 9 der F i g. 1 als aktive Tiefpaßfilterschaltungen 55, 56 ausgebildet, welche im einfachsten Fall aus integrierten Operationsverstärkern 57 und 58 mit RC-Rückkopplungszweigen 59 und 60 und ohmschen Widerständen 59a, 60a in Serie zu den Verstärkereingängen bestehen können, meist aber als aktive Tiefpaßfilterschaltungen höheren Grades realisiert sind, die steilere Filterflanken besitzen.
Der auf die Verstärker 57 und 58 entfallende Teil der für die koordinierten Signale U1 und U2 aufzubringenden Gleichspannungsverstärkung kann nun bei den Gleichspannungsverstärkern 10 und 11 eingespart werden.
Durch die Anordnung der Tiefpaßfilterschaltungen 55, 56 außerhalb der Regelkreise 10, 12, 14 bzw. 11, 13, 15 kann deren Stabilität in einfacher Weise gewährleistet werden. Außerdem können die Einschwingzeiten dieser Regelkreise relativ niedrig gehalten werden. Zweckmäßigerweise sind die Gleichspannungsverstärker 10 und 11 als Differenzverstärker 61 und 62 mit ohmschen Widerständen 61a und 62a in Serie zu den invertierenden Eingängen und ohmschen Widerständen 61b und 62b in Rückkopplungszweigen von den Ausgängen zu den invertierenden Eingängen ausgebildet, denen die zu übertragenden Signale U1, U2 jeweils über den invertierenden Eingang und die Kompensationsspannungen Ukl, Uk2 über den nicht invertierenden Eingang zugeführt werden.
Durch eine Umschaltung der Grenzfrequenzen der Tiefpaßfilter 8 und 9 bzw. der Tiefpaßfilterschaltungen 55 und 56, die zweckmäßig durch eine Änderung der Kapazitätswerte in den RC-Rückkopplungszweigen 59 und 60 erfolgt, kann die Empfangsbandbreite der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einfacher Weise verändert und insbesondere auch sehr schmalbandig gemacht werden, so daß sich eine hohe Selektivität ergibt. Weiterhin kann beispielsweise durch eine Umschaltung der Widerstände 61a und 62a auf verschiedene Widerstandswerte oder eine entsprechende Umschaltung von in Serie zu den invertierenden Eingängen der Gleichspannungsverstärker 10, 11 angeordneten, im einzelnen nicht dargestellten Dämpfungsvierpolen eine Einstellung der Schaltungsanordnung auf unterschiedliche Empfindlichkeitsbereiche erfolgen.
In F i g. 3 ist noch eine zusätzliche Vorumsetzungsstufe vorgesehen, die aus einem den Spiegelwellenbereich sperrenden Tiefpaßfilter 63, einem von einem im Frequenzbereich oberhalb des Bereiches der Wechselspannungen Ux arbeitenden Überlagerungsoszillator 65 ausgesteuerten Mischer 64 und einem Bandpaß 66 mit nachgeschaltetem Verstärker 67 besteht Diese Stufe wird zweckmäßigerweise dann verwendet, wenn der eingangsseitige relative Frequenzbereich der Wechselspannung Ux so groß ist, daß deren Umsetzung in die 0-Hz-Lage einen nur mit großem Aufwand überstreichbaren Frequenzeinstellbereich des Generators 6 erfordern würde, der beispielsweise nur mit einem Synthesizer beherrscht werden könnte oder bei einer einfachen Oszillatorschaltung eine Frequenzbereichsumschaltung notwendig machen würde. In diesen Fällen dient die frequenzvariable Überlagerungsspannung des Generators 65 dazu, Ux in ein vom Bandpaß 66 selektiertes Zwischenfrequenzband umzusetzen, das oberhalb des Frequenzbereiches der Wechselspannungen Ux liegt und innerhalb dessen jede beliebige Frequenz durch die Frequenzeinstellung von Ut in die 0-Hz-Lage umgesetzt.
werden kann. Auf diese Weise kann die Schaltungsanordnung nach der Erfindung auf jede beliebige Frequenz innerhalb eines mehrere Dekaden einschließenden, eingangsseitigen Frequenzbereiches abgestimmt werden.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zur Messung von Spannungs- bzw. Pegeldifferenzen geeignet ist. Zu diesem Zweck wird ein eingangsseitiger X/N-Umschalter 68 vorgesehen, der zwei gegeneinander auszuwertende, gleichfrequente Wechselspannungen Ux und U abwechselnd dem Schaltungseingang 1 zuführt. Erfolgt die Umschaltung von 68 mittels einer vom Taktgenerator TG erzeugten Schaltspannung U68, deren zeitlicher Verlauf ebenfalls aus Fig. 4 entnehmbar ist, so werden in den jeweils aufeinanderfolgenden Abtastphasen 54, 46 usw. U1-U2 Wertepaare abgegriffen, die abwechselnd den Spannungen Ux und Un entsprechen. Über die auswertenden Schaltungsteile 22 bis 23a bzw. 49 bis 51 und 33 bis 36 ist eine Auswertung von Ux und U bezüglich der zwischen ihnen bestehenden Aplitudendifferenz an sich durchführbar. Hierbei tritt jedoch dann ein Meßfehler auf, wenn die Verstärkerungen der koordinierten Signale U1 und U2 geringfügig voneinander abweichen oder der 90° -Phasenschieber 7 einen kleinen Phasenfehler aufweist und zusätzlich zwischen den gleichfrequenten Spannungen Ux und Un ein Phasenunterschied besteht.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird dieser Meßfehler dadurch beseitigt, daß eines der koordinierten Signale U1 oder U2 einem Phasen-bzw. Frequenzsteuereingang 69 des Generators 6 als Regelspannung Ur zugeführt wird. In F i g. 5 ist hierfür eine Leitung 70 vorgesehen, die über einen Schalter 71 unterbrochen werden kann. Schließt man den Schalter 71, so wird die Phase von Ut in der Weise nachgeregelt, daß der Ausgang 13 während der Durchschaltphasen 24, 25 usw. des Schalters 3 spannungslos bleibt. Damit nimmt die Spannung U, am Ausgang 12 ihren maximalen Wert an, da die Phasendifferenz zwischen der Trägerspannung Ut und der Wechselspannung Ux bzw. Un zu Null wird. Für die Auswertung von Ux und Un wird dann nur der Schaltungsteil 4, 55, 10, 14 und 37 herangezogen, während der Schaltungsteil 5, 56, 11, 15 und 38 keinen Beitrag zu den zu ermittelnden Kenngrößen liefert. Hierdurch können auch sehr kleine Spannungs- bzw. Pegeldifferenzen zwischen Ux und Un unabhängig von deren Phasenlagen genau gemessen werden. Tritt infolge der Regelung des Generators 69 bzw. des Generators 6 eine kleine Ausgangsspannung an 13 als sogenannter Regelrest auf, so hat diese wegen ihrer quadratischen Bewertung bei der Effektivwertbildung praktisch keinen Einfluß auf den Effektivwert der Spannungs- bzw. Pegeldifferenzen. Somit wird im Zeitabschnitt 45 am Ausgang 12 ein der Amplitude von Ux sehr genau entsprechender Wert U1.x abgetastet, im Zeitanschnitt 46 der entsprechende, sehr genaue Wert U1.n. der Spannung Un. Die Auswerteeinrichtung 22 muß dabei mit einem Speicher ausgerüstet sein, der eine Ableitung einer der Differenz Ux,eff-Un,eff entsprechenden Ausgangsgröße aus zwei seriell eingegebenen Spannungswerten ermöglicht Die digitale Auswertung führt bei einer entsprechenden Programmierung des Rechners 32 bzw. 51 in relativ einfacher Weise zur Ermittlung der Spannungsdifferenz #Ueff = #Ux,eff-Un,eff oder der Pegeldifferenz Öffnet man den Schalter 71, so läßt sich aus den gemäß der Beziehung (3) für die Wechselspannungen Ux und Un jeweils getrennt ermittelten Pahsenwinkeln #x und #n im Rechner 51 auch die Phasendifferenz <px-nableiten.
Die Rückführung der Ausgangsspannung des Gleichspannungsverstärkers 11 zu einem Frequenzsteuereingang des in der Frequenz einstellbaren Generators bzw.
des Überlagerungsoszillators 65 führt zu einer automatischen Frequenznachregelung. Ist die Schaltungsanordnung nach der Erfindung auf eine einzelne Wechselspannung Ux abgestimmt, so wird sie bei Änderungen der Wechselspannungsfrequenz heridurch automatisch nachgestimmt. Auch ein Wegdriften der Frequenzen des Generators 6 bzw. des Überlagerungsoszillators 65 gegenüber der Frequenz der Wechselspannung Ux wird auf diese Weise vermieden.
Fig. 6 zeigt eine Schaltung, bei der das in Fig.5 dargestellte Ausführungsbeispiel unter Weglassung der Leitung 70 und des Schalters 71 den Empfangsteil 70a bildet, der durch einen synchronisierbaren Sendeteil 70b in der Weise ergänzt wird, daß die Übertragungseigenschaften eines zwischengeschalteten Meßobjekts X im Wege einer Schleifenmessung ermittelt werden können.
Ein dem Meßobjekt X zugeführtes Meßsignal Um wird dabei durch eine Mischung der Ausgangsspannungen der Generatoren 65 und 6 in einer Mischeinrichtung 72, eine nachfolgende Aussiebung des Mischproduktes mit der Differenzfrequenz mittels eines Tiefpaßfilters 73 sowie einer Verstärkung des ausgesiebten Mischproduktes in einem Verstärker 74 und einer Pegeleinstellung desselben in einem Spannungsteiler 75 erzeugt.
Dabei dient entweder nur der Generator 65 oder beide Generatoren 65 und 6 zur Frequenzeinstellung des Meßsignals Um, wobei im letzteren Fall die Frequenzgrobeinstellung am Generator 65 und die Feineinstellung am Generator 6 vorgenommen wird. Das Meßsignal Um wird in einer Verzweigung 75a auf einen das Meßobjekt Xenthaltenden Meßzweig und einen ein Vergleichsnormal N enthaltenden Vergleichszweig aufgeteilt. Die an den Ausgängen beider Zweige abgreifbaren Spannungen entsprechen den Spannungen Ux und Un in Fig. 5.
Eine gemäß der Beziehung (2) vorgenommene Messung der Pegelwerte px udn pn ergibt mit der im Rechner 51 hieraus abgeleiteten Pegeldifferenz #p = px-pn ein genaues Maß für den Dämpfungsunterschied #a zwischen Meßobjekt X udn Vergleichsnormal N. Wird Ndurch einen Kurzschluß ersetzt, so entspricht da der Dämpfung a des Meßobjekts X bei der jeweiligen Meßfrequenz fm. Nach einer gemäß der Beziehung (3) vorgenommenen Messung der Phasenwinkel #x und#n entspricht die hieraus über den Rechner 51 abgeleitete Phasendifferenz ## = #x-#n dem Unterschied der Phasenmaße von X und N. Beim Ersatz des Vergleichsobjekts Ndurch einen Kurzschluß gibt dann ## das Phasenmaß des Meßobjekts X bei einer vorgegebenen Meßfrequenz fm sehr genau an.
Ein Maß für die Gruppenlaufzeit von X läßt sich mit der Schaltung nach Fig.6 dadurch erhalten, daß der Generator 65 bzw. die Generatoren 65 und 6 nacheinander so eingestellt werden, daß sich zwei relativ dicht beieinanderleigende Meßfrequenzwerte fm1 und fm2 ergeben. Ermittelt man zunächst iene erste Größe aus dem Phasenwinkel #m(fm1) der Meßfrequenz fm1 und dem Phasenwinkel #x(fm2) bei der Meßfrequenz fm2 und leitet dann die analoge Größe #n für die entsprechenden Phasenwinkel #n ab, so erhält man aus der Differenz ##x,n 0 #x-#n mittels des Rechners 51 ein genaues Maß für den Gruppenlaufzeitunterschied zwischen X und N in dem Frequenzbereich, der durch fmi und fm2 definiert wird. Ersetzt man auch hier das Vergleichsnormal N durch einen Kurzschluß, so ergibt ##x,n ein genaues Maß für die Gruppenlaufzeit des Meßobjekts Xin dem betrachteten Frequenzbereich.
In an sich bekannter Weise kann das Meßobjekt X auch aus einer Brückenschaltung bestehen, deren einer Zweig aus einem Scheinwiderstand unbekannter Größe gebildet ist, wobei Ux die an der Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung abgreifbare Spannung darstellt. Hierbei lassen sich mit der Anordnung nach Fig.6 der Scheinwiderstandswert oder der Reflexionsfaktor des unbekannten Widerstandes durch eine entsprechende Auswertung der auf vorstehende Weise ermittelten Kenngrößen von Ux bestimmen.
In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1, 3 und 5 wurde bisher vorausgesetzt, daß der Schaltrhythmus des Schalters 3 entsprechend der in den F i g. 2 und 4 dargestellten Schaltspannung U3 gewählt ist. Hierbei sind die Durchschaltphasen 24, 25 usw. und die Unterbrechungsphasen 26, 27 usw. jeweils gleich lang, wobei die Dauer der Durchschaltphasen so gewählt ist, daß die koordinierten Signale U1 und U2 jeweils praktisch vollständig auf ihren wahren Amplitudenwert einschwingen können. Die Unterbrechungsphasen 26, 27 usw. dürfen dabei nicht so groß werden, daß die an den Ausgängen 12 und 13 abgegriffenen Fehlspannungen sich infolge von Drift-Erscheinungen unzulässig verändern. Werden die genannten Bedingungen eingehalten, sind selbstverständlich auch andere Tastverhältnisse der Schaltspannungen U3 und U20 bzw. U21 möglich.
Wie in F i g. 6 angedeutet ist, kann die Schaltungsanordnung nach der Erfindung auch im Wobbelbetrieb benutzt werden. Hierzu wird einem Frequenzsteuereingang 76 des Generators 65 (oder einem entsprechenden Steuereingang des Generators 6) eine Wobbelspannung Uw zugeführt, die von einem Wobbelspannungsgenerator 77 erzeugt wird. Die am Ausgang des Meßobjekts X abgegriffene Spannung Ux wird dann in ihrer Frequenz stetig und periodisch variiert. Das in der Schaltung 70 enthaltene Sichtgerät 36, das beispielsweise aus einem Kathodenstrahloszillografen besteht, erhält dabei die Wobbelspannung Uw als Zeitablenkspannung zugeführt.
Mit einer solchen Meßanordnung lassen sich die bereits für einzelne Frequenzwerte von Um behandelten Meßgrößen von X, wie z. B. das Phasenmaß, die Dämpfung, die Gruppenlaufzeit, der Scheinwiderstand und der Reflexionsfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz als Bildkurve aufzeichnen. Im Regelfall muß die Grenzfrequenz der Tiefpaßfilter 8, 9 bzw. der Tiefpaßfilterschaltungen 55, 56 höher gewählt werden als für Einzelmessungen, da die koordinierten Signale U1, U2 relativ schnell einschwingen müssen. Ihre Einschwingzeit darf nur einen kleinen Bruchteil der Durchlaufzeit für einen Wobbelhub betragen. Zweckmäßigerweise ändert man für den Wobbelbetrieb auch den zeitlichen Verlauf der Schaltspannungen U43, U44 in Relation zur Schaltspannung U3, und zwar derart, daß erst am Ende eines Frequenzdurchlaufs, also nach einer Vielzahl von Durchschaltphasen 24, 25 usw., eine Abtastphase 45 folgt, die zeitlich in den schnellen, am Sichtgerät ausgetasteten Rücklauf der Wobbelspannung fällt oder bei im Hin- und Rücklauf geschriebenen Bildern jeweils innerhalb einer kurzen Austastzeit am Ende des Frequenzdurchlaufs in der Größenordnung von wenigen Prozent der Durchlaufzeit liegt.
Zur Korrektur von Eigenfehlern der Meßschaltung ist es möglich, dem Rechner 32 bzw. 51 durch einen vorhergehenden Eichvorgang festgestellte Korrekturgrößen einzugeben und die von diesem ausgegebenen Kenngrößen der Wechselspannung Ux oder der Wechselspannungsgruppe jeweils entsprechend abzuändern.
Ein besonderer Vorzug der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, soweit sie mit einer Rückkopplung vom Ausgang eines der Gleichspannungsverstärker 10, 11 an einen Frequenzsteuereingang der Generatoren 6 bzw. 65 ausgestattet ist, liegt noch darin, daß eine Wobbelmessung der Dämpfung oder ganz allgemein der Ausgangsspannungscharakteristik eines Meßobjekts in einfacher Weise durchführbar ist, ohne daß der Sendeteil mit dem Empfangsteil gemäß F i g. 6 synchronisiert werden müßte. In diesem Fall wird der Empfangsteil durch die genannte Rückkopplung automatisch auf den jeweiligen Momentanwert der gewobbelten Meßfrequenz abgestimmt.

Claims

Patentansprüche: 1. Abstimmbare Schaltungsanordnung zur selektiven Messung von Kenngrößen einer Wechselspannung oder Wechselspannungsgruppe, bei der diese an zwei mit einer gemeinsamen Trägerspannung beaufschlagte Umsetzer geführt wird, die bezüglich der Wechselspannungen oder der Trägerspannung mit 90° Phasendifferenz ausgesteuert sind, und in zwei koordinierte Signale oder Signalgruppen der Frequenz Null oder annähernd Null umgesetzt wird und bei der die koordinierten Signale oder Signalgruppen, die in Tiefpaßfiltern und Gleichspannungsverstärkern jeweils selektiert und verstärkt werden, zur Ermittlung der Kenngrößen dienen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (3) vorgesehen ist, der den Weg der Wechselspannungen (Ux, Un) periodisch unterbrucht, daß während der Unterbrechungsphase (26, 27 usw.) jede der an den Ausgängen (12, 13) der Gleichspannungsverstärker (10, 11) auftretenden Fehlspannungen abgetastet und einem Eingang des jeweils zugeordneten Gleichspannungsverstärkers (10, 11) als Kompensationsspannung (Uk1, Uk2) mit einer solchen Amplitude und Polarität zugeführt wird, daß eine Fehlspannungskompensation eintritt, und daß die Kompensationsspannungen (Uk1, Uk2) nach Speicherung auch während der jeweils folgenden Durchschaltphase (24,25 usw.) des Schalters (3) wirksam bleiben.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaßfilter als aktive Tiefpaßfilterschaltungen (55, 56) mit vorzugsweise umschaltbaren Grenzfrequenzen ausgebildet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die koordinierten und kompersierten Signale (U1, U2) oder Signalgruppen während der Durchschaltphasen (24, 25) des Schalters (3) jeweils eigenen Abtast- und Speicherschaltungen (37,38) zugeführt werden.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der koordinierten und kompensierten Signale (U1, U2) oder Signalgruppen jeweils gleichzeitig (45, 46 usw.) und erst nach dem Ablauf einer Zeitspanne (47,48 usw.) erfolgt, die einem Mehrfachen der Einschwingzeitkonstanten der Tiefpaßfilter (8,9; 55,56) entspricht.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die abgetasteten Fehlspannungen jeweils dem invertierenden Eingang eines mit dem nicht invertierenden Eingang auf Nullpotential liegenden Operationsverstärkers (16, 17) zugeführt werden, der einen kapazitiven Rückkopplungszweig (18, 19) vom Ausgang zum invertierenden Eingang aufweist und dessen Ausgang die gespeicherte Kompensationsspannung (Uk1, Uk2) abgibt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspannungen (Uk1, Uk2) den zweiten Eingängen von Differenzverstärkern (61, 62) zugeführt werden, dere erste Eingänge während der Durchschaltphasen (24, 25 usw.) des Schalters (3) jeweils mit den koordinierten, selektierten und ggf.

vorverstärkten Signalen (U1, U2) oder Signalgruppen belegt sind.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorumsetzungsstufe (63-67) vorgesehen ist, die einen eingangsseitigen großen relativen Frequenzbereich mittels einer zugeordneten, in der Frequenz einstellbaren Trägerspannung auf ein den beiden Umsetzern (4, 5) zugeführtes Zwischenfrequenzband umsetzt, innerhalb dessen jede Frequenz durch eine entsprechende Frequenzeinstellung der den letzteren zugeführten Trägerspannung (Ut) auf null Hz umsetzbar ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ggf.

über die beiden Abtast- und Speicherschaltungen (37, 38) abgegebenen koordinierten und kompensierten Signale (U1, U2) einer analogen Auswerteeinrichtung (22) zugeführt werden, die ein der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Amplituden der koordinierten Signale (U1, U2) entsprechende Ausgangssignal bildet, das dem Effektivwert (Ux, eff) der Wechselspannung (ux) bzw.

der effektiven Wechselspannungsleitung der Wechselspannungsgruppe oder beim Anlegen eines eingangsseitigen Rauschspannungsspektrums der effektiven Rauschspannungsleistung innerhalb des durch die Tiefpaßfilter (8, 9, 55, 56) jeweils selektierten Bandes entspricht und das vorzugsweise mittels eines Zeigerinstrumentes (23a) angezeigt wird.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die koordinierten und kompensierten Signale (U1, U2) digitalisiert und einem Rechner (32, 51) zugeführt werden, der aus ihnen einzelne, mehrere oder sämtliche der nachfolgenden Kenngrößen der Wechselspannung (Ux) ableitet: d) Vektorkoordinaten der Wechselspannung (Ux) im rechtwinkligen oder im Polarkoordinatensystem, e) #Ueff = Ux, eff - Un, eff g) 1# = #x h) Vektorkoordinaten der Differenzspannung zwischen der Wechselspannung (Ux) und einer zweiten, gleichfrequenten Wechselspannung (Un) k) ##x, n = #x - #n, wobei Ux den Effektivwert der Wechselspannung (Ux), ein Maß für die effektive Wechselspannungsleistung einer Wechselspannungsgruppe oder ein Maß für die effektive Rauschspannungsleistung innerhalb des selektierten Bandes eines eingangsseitigen Rauschspannungsspektrums, px den Pegelwert der Wechselspannung (Ux) relativ zu einer Bezugsspannung (U0), #x den von der Wechselspannung mit der den Umsetzern (4, 5) zugeführten Trägerspannung (Ut) eingeschlossenen Phasenwinkel, #Ueff den Effktivwert der Differenzspannung zwischen der Wechselspannung (Ux) und einer zweiten, gleichfrequenten Wechselspannung (Un), #p die Pegeldifferenz zwischen den gleichfrequenten Wechselspannungen (Ux, Un), #n den von der gleichfrequenten Wechselspannung (Un) mit der den Umsetzern (4, 5) zugeführten Trägerspannung (Ut) eingeschlossenen Phasenwinkel, ## den von den gleichfrequenten Wechselspannung (Ux, Un) eingeschlossenen Phasenwinkel, #x(fm1) den von der Wechselspannung (Ux) mit der Trägerspannung (Ut) bei der Meßfrequenz fml eingeschlossenen Phasenwinkel, #x(fm2) den entsprechenden Phasenwinkel bei der Meßfrequenz fm2, #n(fm1) und #n(fm2) die entsprechenden Phasenwinkel für die gleichfrequente Wechselspannnung (Un) und ##x, n die Gruppenlaufzeit eines Meßobjekts (X), über das die Wechselspannung (Ux) aus einem Meßsignal (Um) abgeleitet wird bei gleichzeitiger Ableitung der gleichfrequenten Wechselspannung (Un) aus demselben Meßsignal (Um) unter Umgehung des Meßobjekts (X), bedeuten.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Digitalisierung der koordinierten Signale (U1, U2) mittels eines Analog-Digitalwandlers (50) erfolgt, der an die Ausgänge beider Abtast- und Speicherschaltungen (37, 38) abwechselnd anschaltbar ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ziffernfeld (33) zur digitalen Anzeige der über den Rechner (32, 51) abgeleiteten Kenngrößen der Wechselspannung (Ux) vorgesehen ist.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Digital-Analogwandler (34) und ein diesem nachgeschaltetes Zeigerinstrument (35) oder Registrier-bzw. Sichtgerät (36) zur analogen Darstellung der über den Rechner (32, 51) abgeleiteten Kenngrößen der Wechselspannung (Ux) vorgesehen sind.
13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur genauen Auswertung der Kenngrößen von zwei Wechselspannungen (Ux, Un) gegeneinander ein X/N-Umschalter vorgesehen ist, über den beide Wechselspannungen abwechselnd zugeführt werden, und daß die am Ausgang eines der Gleichstromverstärker (10, 11) auftretenden Spannungen über einen Regelkreis (70) einem Phasen- bzw. Frequenzsteuereingang (69) des die Trägerspannung (Ut) für die Umsetzer (4, 5) liefernden Generators (6) in der Weise zugeführt werden, daß die genannten Ausgangsspannungen auf Null geregelt werden.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang eines der Gleichspannungsverstärker (10, 11) auftretenden Spannungen über einen Regelkreis einem Phasen- bzw. Frequenzsteuereingang des Überlagerungsoszillators (65) der Vorumsetzungsstufe (63-67) in der Weise zugeführt werden, daß die genannten Ausgangsspannungen auf Null geregelt werden.
15. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein meßspannungserzeugender Schaltungsteil vorgesehen ist, in dem aus der Trägerspannung (U) der Umsetzer (4,5) und ggf. aus der Trägerspannung der Vorumsetzungsstufe (63 - 67) ein Meßsignal (Um) abgeleitet und einem Meßobjekt (X) zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung die Wechselspannung (Ux) darstellt, und daß die Kenngrößen der Wechselspannung (Ux) zur Angabe der Übertragungsgrößen des Meßobjekts (X)dienen.
16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerspannung (Ut) der Umsetzer (4, 5) oder ggf. die Trägerspannung der Vorumsetzungsstufe (63-67) zur Durchführung einer Wobbelmessung stetig und periodisch frequenzmoduliert werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine abstimmbare Schaltungsanordnung zur selektiven Messung von Kenngrößen einer Wechselspannung oder Wechselspannungsgruppe, bei der diese an zwei mit einer gemeinsamen Trägerspannung beaufschlagte Umsetzer geführt wird, die bezüglich der Wechselspannungen oder der Trägerspannung mit 90° Phasendifferenz ausgesteuert sind, und in zwei koordinierte Signale oder Signalgruppen der Frequenz Null oder annähernd Null umgesetzt wird und bei der die koordinierten Signale oder Signalgruppen, die in Tiefpaßfiltern und Gleichspannungsverstärkern jeweils selektiert und verstärkt werden, zur Ermittlung der Kenngrößen dienen.

Schaltungsanordnungen dieser Art werden bisher zur Ermittlung der Amplitude einer Wechselspannung und zur gleichzeitigen Feststellung des von ihr mit einer Bezugsspannung eingeschlossenen Phasenwinkels benutzt, wobei die Bezugsspannung mit der den beiden Umsetzern zugeführten Trägerspannung identisch ist (DT-OS 22 47 973). Wird beispielsweise die Wechselspannung am Ausgang eines mit einem Meßsignal gespeisten Vierpols abgegriffen und die Bezugsspannung aus dem Meßsignal unter Umgehung des Vierpols direkt abgeleitet, so erhält man mit Hilfe einer solchen Schaltung das komplexe Vierpol-Übertragungsmaß.

Dabei stellt man dieses mittels der von der Wechselspannung abgeleiteten koordinierten Signale, die seinen Real- und Imaginärteil angeben, auf einem Sicht- oder Registriergerät mit zwei rechtwinkelig zueinander arbeitenden Ablenksystemen für jeden Wert der Meßfrequenz in Form eines Bildpunktes dar. Bei einem Durchlauf der Meßfrequenz ergibt sich dann eine Ortskurve des komplexen Übertragungsmaßes (DT-OS 22 13 995).