DE2536160C2 - Abstimmbare Schaltungsanordnung zur selektiven Messung von Kenngrößen einer Wechselspannung oder Wechselspan' nungsgruppe - Google Patents

Description

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 vcn der Wechselspannung abgeleiteten koordinierten Signale, die seinen Real- und Imaginärteil angeben, auf einem Sicht- öder 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 9951

Andererseits ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der ein Rauschspannungsspektrum in einem Umsetzer mit Hilfe einer auf die Mittenfroquen/. ties Spektrums einstellbaren Trägerspannung in ein die Frequenz Null mit einschließendes Frequenzband umgesetzt, in einem Tiefpaßfilter selektiert und nach Verstärkung bezüglich der in ihm enthalteneu Rauschleistung ausgewertet wird (vgl. DT-PS Il 00 805). Für die Auswertung einer ein/einen 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 efnem 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-Spannungseinflusse 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 eingnngsseitigen Wcchselspannungen innerhalb großer so relativer Frequenzbereiche mit geringcrem Schaltungsnufwnncl 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 Träger· spannung auf ein den beiden Umsetzern zugeführtes Zwischenfrequenzband umsetzt, innerhalb dessen jede Frequenz durch eine entsprechende Frequenzeinstellung der den letzteren zugeführten Trügerspannung auf null Hz umsctzbur Ist. Hierdurch wird erreicht, daß große relative Frequenzbereiche mit wenig aufwendigen Frcqucn/clnslcllmittcln für die beteiligten Trägerspunnungcn. beispielsweise mittels Drehkondensatoren oder Viirukiorcn, ohne Bereichsumschaltung übcrstri- fts elicit werden.

Die Urfimlun»· wird nachfolgend anhand einiger In der Zeichnung iliirgcslcllter, bevorzugter Ausführungsbci spiele näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, das das Erfindungsprinzip deutlich erkennen läßt,

Fig.2 ein Schaltspannungsdiagramm zur Erläuterung von Fig. 1,

F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel,

F i g. 4 ein Schaltspannungsdiagramm zur Erläuterung von F i g. 3,

Fig.5 ein Ausfiihrungsbeispiel 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 F i g. 1 liegt eine in bezug auf ihre Kenngrößen auszuwertende Wechselspannung U_x 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 U, mit einer Phasendifferenz von 90° ausgesteuert. Zu diesem Zweck ist in 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 U, und U_x in der Frequenz übereinstimmen, so werden von den Ausgängen der Umsetzer 4 und 5 koordinierte Gleichspannungssignale U\ und Ui abgegeben, die jeweils in den Tiefpaßfiltern 8 und 9 selektiert und in nachgeschalteten Gleichspannungsverstärkern 10 und 11 verstärkt werden. Deren Ausginge 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 Nulipotcntial beschaltet sind. Die Ausgänge 12 und 13 sind weiterhin mit einer Auswerteeinrichtung 22 und einer nachgeschalteten Anzeigevorrichtung 23 verbunden.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g, 1 sei anhand der Diagramme von F i g. 2, die die Zeitabhängigkeit der den'vorhandenen Schaltern von einem Taktgeber 7X7 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 24,23 usw. des Schaltspan· nungsverlaufes U₃ dargestellt sind, gelangen die koordi· niertcn Gleichspannungssignale U\ und Ui nach Selek· tion und Verstärkung über die Ausgänge 12 und 13 zui Auswerteeinrichtung 22. In den Unterbrechungsphaser 26, 27 usw. des Schalters 3, in denen U_x von der Eingängen der Umsetzer 4 und 5 abgeschaltet ist erscheinen dagegen zunächst lediglich Fchlspannungcn die auf Unsymmetrien der Umsetzer 4 und 5 sowie au Offsct-Spannungseinflüsse der Glcichspannungsver stärker 10 und 11 zurückgehen, an den Ausgängen i: und 13. Die im Gegentakt zum Schalter 3 betätigtci Schalter 20 und 21, deren im Verlauf übereinstlmmendi Schaltspannungen ebenfalls in Fig.2 dargestellt sine bewirken nun während ihrer Durchschaltphasen 28, 2,

usw. die Anschaltung der jeweils anstehenden Fchlspannungen an die Abtast- und Spcichcrschaltungen 14 und 15. Innerhalb der Schaltkreise 10, 12, 14 und 11, 13, 15 entsteht bei geschlossenen Schaltern 20 und 21 eine Rcgelwirkung, durch die an den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 16 und 17 und damit an den Ausgängen 12 und 13 jeweils eine Potcntialvcrschiebung praktisch auf das den nicht invertierenden Eingängen von 16 und 17 anliegende Nullpotcntial hervorgerufen wird, während sich an den Ausgängen von 16 und 17 Kompensationsspannungen Uk\ und LA₂ 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 Fchlspannungskompensation.

Die unterschiedliche Polung der den Gleichspannungsverstärkcrn 10,11 von den Tiefpaßfiltern 8 bzw. 9 einerseits und von den Operationsverstärkern 16, 17 andererseits zugeführten Spannungen kann dabei, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß 10 und 11 als Differenzverstärker ausgebildet und die einander entgegcnzupolenden 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 Rückkopplungszweigcn 18 und 19 gespeicherten Kompensationsspannungen Uki\, Uu durch die koordinierten Signale U\, 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 befreiten Signale U\ und LZ₂, die im Takte des Schalters 3 impulsweise anstehen, werden in der Auswerteeinrichtung 22 gemeinsam ausgewertet. .\o Zur Ermittlung des Effektivwertes der Wechselspannung LZ, wird in 22 eine Ausgangsspannung gebildet, die der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Spannungsamplituden von LA und LZ₂ entspricht. Die impulsweise auftretende Ausgangsspannung von 22 ^s führt dabei zu einer bestimmten Auslenkung eines in der Anzeigevorrichtung 23 vorgesehenen Zeigerinstruments 23«, das bei hinreichender Trügheil bzw. genügend schneller Umschaltfrcqucnz des Schalters 3 den Mittelwert der von 22 gelieferten lmpulsspannun· gen und damit den genauen Effektivwert von (Λ anzeigt.

Zum Zwecke einer digitalen Auswertung der Kenngrößen von U_x ist es andererseits auch möglich, die koordinierten Signale U\ und Ui 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 LZ.« verarbeitet. Diese bestehen (« beispielsweise aus dem bereits bei der analogen Auswertung behandelten Effcklivwcrt U_x, ^der Wechselspannung Lz* der nach der Beziehung

gebildet wird, ims dem auf einen vorgegebenen Spannungsweit Uo bezogenen Pcgclwcrt p, von U_x, der sich nach der Formel

P.V = 20 ■ log

errechnet, oder aus dem von den Spannungen U_x und U₁ eingeschlossenen Phasenwinkel q>.„ der sich aus der Beziehung

= arc tg

ergibt.

Andererseits kann U_x auch durch die Angabe seiner Vektorkoordinaten ausgewertet werden, wobei die digitalisierten Werte von U\ und LZ₂ unmittelbar den Real- und Imaginärteil und damit die rechtwinkligen Koordinaten des Spannungsvektors von U_x darstellen oder auf die entsprechenden Polarkoordinaten des Vektors, d. h. auf seinen absoluten Betrag und seinen Phasenwinkel gegenüber der Spannung LZ₁, umgerechnet werden. Neben der digitalen Darstellung der errechneten Kenngrößen in einem Ziffernfeld 33 ist es weiterhin möglich, die digitalen Signale, die dem Effektivwert U_x._cn oder den genannten Koordinaten entsprechen, in einem Digital-Analogwandler 34 in analoge Größen umzuwandeln und den Effektivwert U_x, err mittels eines Zeigerinstruments 35 anzuzeigen oder den Spannungsvektor von LZ_x mittels eines Registrier- oder Sichtgeräts, z. B. mittels eines Kathodcnstrahloszillografen 36, darzustellen.

Wird der erfindungsgemäßen Schaltung anstelle einer Wechselspannung LA eine Gruppe von Wechselspannungcn unterschiedlicher Frequenzen zugeführt, so wird der Effektivwert aller in den Übertragungsbercich der Tiefpaßfilter 8, 9 umgesetzten Wcchselspannungcn ermittelt. Hierbei treten koordinierte Signalgruppen an die Stelle der koordinierten Signale LZi und LZ₂. Handelt es sich andererseits, um ein dem Schaltungscingang zugeführtes Rauschspannungsspektrum, so wird von diesem der Effektivwert der in den genannten Durchlaßbereich umgesetzten Rauschspannungen bewertet,

In Fig.3 ist ein zweites Ausführiingsbeispiel der Erfindung dargestellt, das sich von dem ersten zunächst darin unterscheidet, daß die in F i g. 1 lediglich durch ihre allgemeinen Symbole dargestellten Tiefpaßfilter 8 und 9 nunmehr durch aktive Ticfpaßfiltcrschaltungen 55 und 56 ersetzt sind und daß die koordinierten Signale U\ und Ui Abtast- und Speicherschaltungcn 37 und 38 zugeführt werden. Diese bestehen zweckmüßigcrwcisc aus Ladekondensatoren 39 und 40, denen als Impedanzwandler geschaltete Operationsverstärker 41 und 42 nachgeschttllct sind. Die Zuführung von L/| und Ui erfolgt über Schalter 43 und 44, die durch Schaltspun· nungen (Aj und (Λ4 des Taktgebers TGbetüiiigt werden. Wie die Schaltspannungsdiagrainme der F i g. 4 zeigen, sind die Schalter 43 und 44 jeweils nur In den Zeitabschnitten 43, 46 usw. durchgoschnliol, die innerhalb der Durchschaltphosen 24, 23 usw, des Schalters 3 liegen, Die in diesen Zeitabschnitten von den Abtust- und Spclcrrcrschultungen 37 und 38 übernommenen Signale U\ und Lh werden mittels der Ladekondensutoi'cn 39 und 40 gespeichert. Wesentlich Ist hierbei, daß die Durchschaltungcn der Schalter 43 und 44 möglichst kurzzeitig sind, jeweils gleichzeitig erfolgen und gegenüber dem Beginn der Durchschtiltphasen 24

70(1031/347

und 25 mit einer solchen zeitlichen Verzögerung einsetzen, daß die Signale Lh und LZ₂ jeweils bereits weitgehend eingeschwungen sind. Dies ist mit Sicherheit dann der Fall, wenn die in Fig.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 LA bzw. LZ₂ bereits auf etwa

Durch die Anordnung der Abtast- und Speicherschaltungen 37 und 38 ist es möglich, die digitale Auswertung der Kenngrößen von U_x in wesentlich einfacherer Weise vorzunehmen als es anhand von F i g. 1 beschrieben wurde. Wird nämlich ein Umschalter 49 vorgesehen, der im Takte der Schalter 43 und 44 während deren Unterbrechungsphasen die Signale LA und LZ₂ 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. I und den Beziehungen (1) bis (3) beschriebenen, Kenngrößen verarbeitet werden, die dann wieder entsprechend Fig. I zur Anzeige gelangen. Zum Zwecke einer wechselseitigen Anschaltung von LA und LZ₂ an den Analog-Digitalwandler 50 wird dem Umschalter 49 eine Schaltspannung LZ49 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 gespeic herten Wert von LZ₂ 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 L/w 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 ÄC-Rückkopplungszweigcn 59 und 60 und ohmschen Widerständen 59«-i, 60a in Serie zu den Verstarkcrcingängen bestehen können, meist aber als aktive TiefpaBfilterschaltungen höheren Grades realisiert sind, die steilere Filterflanken besitzen. Der auf die Verstärker 57 und 58 entfallende Teil der für die koordinierten Signale LA und Ui aufzubringenden Glcichspannungsverstärkung kann nun bei den Gleich-Spannungsverstärkern 10 und 11 eingespart werden. Durch die Anordnung der Ticfpaßfilterschaltungcn 55, 56 außerhalb der Regelkreise 10, 12,14 bzw. II, 13, kann deren Stabilität in einfacher Weise gewährleistet werden. Außerdem können die Einschwingzelten dieser Regelkreise relativ niedrig gehutten werden. Zweckmäßlgcrwelsi¹ sind die Gleichspannungsverstärker 10 und Il »Is Differenzverstärker 61 und 62 mit ohmschen Widerständen 61« und 62« in Serie zu den invertierenden Eingängen und ohmschen Widerständen 616 und 62b in Rückkopplungszwcigcn von den Ausgängen zu den invertierenden Eingängen ausgebildet, denen die zu übertragenden Signale LA, LZj jeweils über den invertierenden Eingang und die Kompcnsutionsspun·

15 nungen LZ* 1, Um 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 Kapazitätsweite 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 6Ι«·ι und 62<j 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.

>o 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 LZv arbeitenden Überlagerungsoszillator 65 a.s 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 U_x so groß ist, daß deren Umsetzung in die 0-Hz-Lage einen nur mit großem Aufwand überstreichbaren Frequcnzeinstellbereich 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 frequenzvariablc Überlagerungsspannung des Generators 65 dazu, L/, in ein vom Bandpaß 66 selektiertes Zwischenfrequenzband umzusetzen, das oberhalb des Frequenzbereiches der Wechselspannungen ίΛ liegt und innerhalb dessen jede beliebige Frequenz durch die Frequenzeinstellung von LZ, 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 einschlicßendcn, eingangsseitigen Frequenzbereiches abgestimmt werden.

Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, dus zur Messung von Spannungs- bzw. Pcgcldifferenzen geeignet ist. Zu diesem Zweck wird ein eingangsseitiger X/TV-Umschalter 68 vorgesehen, der zwei gegeneinander auszuwertende, gleichfrequente Wechselspannung gen LZ, und U_n abwechselnd dem Schaltungscingang I zuführt. Erfolgt die Umschaltung von 68 mittels einer vom Taktgenerator TO erzeugten Schallspunnung Um ij deren zeitlicher Verlauf ebenfalls uus F i g. 4 entnehm· bar ist, so werden In den jeweils aufeinanderfolgender Abtastphasen 45, 46 usw. LA-LZj-Wcrtepuurc abgegriffen, die abwechselnd den Spannungen Un und t/ entsprechen. Über die auswertenden Schaltungsteile 25 do bis 23« bzw. 49 bis 51 und 33 bis 36 ist eine Auswertunj von U_x und U_n bezüglich der zwischen ihnen bestehen den Aplitudcndiffcrenz an sich durchführbar. Hlerbe tritt jedoch dann ein Meßfehler auf, wenn 0Ί1 Verstärkungen der koordinierten Signale LA und U geringfügig voneinander ubwelchen oder der 90°-Phu senschleber 7 einen kleinen Phasenfehler aufweist um zusätzlich zwischen den glcichfrequentcn Spunnurigei LZ»und (Λ,ein Phasenunterschied besteht.

25

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Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird dieser Meßfehler dadurch beseitigt, daß eines der koordinierten Signale U\ oder £Λ einem Phasenbzw. Frequenzsteuereingang 69 des Generators 6 als Regelspannung U_r zugeführt wird. In Fig. 5 ist hierfür > eine Leitung 70 vorgesehen, die über einen Sehalter 71 unterbrochen werden kann. Schließt man den Schalter Vl, so wird die Phase von LJ, in der Weise nachgercgch, dall 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 U, und der Wechselspannung L/, bzw. L/„zuNull wird. Für die Auswertung von U_x und U_n wird dann nur der Schaltungstcil 4, 55, 10, 14 und 37 herangezogen, während der Schaltungsteil 5, 56, II, 15 und 38 keinen Beitrag zu den zu ermittelnden Kenngrößen liefert. Hierdurch können auch sehr kleine Spannungs- bzw. Pegcldiffcrenzen zwischen U_x und U_n 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 Rcgclrest auf, so hat. diese wegen ihrer quadratischen Bewertung bei der Effektivwertbildung praktisch keinen Einfluß auf den Effektivwert der ;;; Spannungs- bzw. Pcgcldifferenzcn. Somit wird im Zeitabschnitt 45 am Ausgang 12 ein der Amplitude von Uy sehr genau entsprechender Wert L/|,, abgetastet, im Zeitabschnitt 46 der entsprechende, sehr genaue Wert L'i, η der Spannung U_n. Die Auswerteeinrichtung 22 muß yo dabei mit einem Speicher ausgerüstet sein, der eine Ableitung einer der Differenz U_x._err- U„,_vnentsprechenden Ausgangsgröße aus zwei seriell eingegebenen Spannungswerten ermöglicht.

Die digitale Auswertung führt bei einer entsprechen- \s den Programmierung des Rechners 32 bzw. 51 in relativ einfacher Weise zur Ermittlung der Spannungsdifferenz

Δ UiIl

oiler der l'egeldiffcrenz

y_x-I, - U₁₁, ,.ff

I ρ ■--■ 20 log

V_n

.!fluff net man den Schalter 71, so Hißt sich aus den .₍s gemäß der Beziehung (3) für die Wcchselspannungen U_x und U₁₁ jeweils getrennt ermittelten Phasenwinkel φ, und φ,ι im Rechner 51 auch die Phasendifferenz Δψ «»φ» -(j),, ableiten.

Die Rückführung der Ausgungs&punnung des Gleich y> spannungsverstärker ti zu einem Frequenzsteuereingang des in der Frequenz, einstellbaren Generators bzw. des Überlagerungsoszillator!!65 führt zu einer automatischen Frequenznachrcgclung. 1st die Schullungsunordllung nach der Erfindung auf eine einzelne Wechsel- s<, spannung Lh abgestimmt, so wird sie bei Änderungen der Wcehsclspannungsfrcquenz hierdurch automatisch nachgestimmt. Auch ein Wegdriftcn der Frequenzen des Generators 6 bzw. des Überlagcrungsoszilluiors 65 gegenüber der Frequenz der Wechselspannung U_x wird («1 auf diese Weise vermieden.

F i g, 6 zeigt eine Schaltung, bei der das in F i g, '> dargestellte Ausführungsbeispiel unter Weglassung der Leitung 70 und des Schalters 71 den Empfangstell 70« bildet, der durch einen synchronislcrbaren Sendeteil 70b (^ in der Weise ergUnzt wird, dato die Übertragimgsclgcn· schalten eines zwischengcseholtcten Meßobjekts λ' Im Wege einer .Sehlelfenmessting ermittelt werden können.

Ein dem Meßobjekt X zugeführtes Meßsignal U_n, wird dabei durch eine Mischung der Ausgangsspannungen der Generaloren 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 dos Meßsignals U_n. wobei im letzteren Fall die Frequenzgrobeinstellung am Generator 65 und die Feineinstellung am Generator 6 vorgenommen wird. Das Meßsignal U_n, wird in einer Verzweigung 75;i auf einen das Meßobjekt X enthaltenden Meßzweig und einen ein Vergleichsnormal N enthaltenden Vergleichszweig aufgeteilt. Die an den Ausgängen beider Zweige abgreifbaren Spannungen entsprechen den Spannungen Uy und U_n in F i g. 5.

Eine gemäß der Beziehung (2) vorgenommene Messung der Pcgclwerte p» und p_n ergibt mit der im Rechner 51 hieraus abgeleiteten Pegeldif feien/. Δρ = p_s~ p_n ein genaues Maß für den Dämpfungsunterschicd Δα zwischen Meßobjekt X und Vergleichsnormal N. Wird Ndurch einen Kurzschluß ersetzt, so entspricht /l.i der Dämpfung α des Meßobjekis X bei der jeweiligen Mcßfrequen/. /"„,. Nach einer gemäß der Beziehung (3) vorgenommenen Messung der Phasenwinkel (p_t und φ_η entspricht die hieraus über den Rechner 51 abgeleitete Phasendifferenz Δψ = ψ_χ~ψ_η dem Unterschied der Phasenmaße von X und N. Beim Ersatz des Verglcichsobjckls N durch einen Kurzschluß gibt dann Δψ das Phasenmaß des Meßobjekts X bei einer vorgegebenen Mcßfrcquenz f,„ 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 bcicinandcrliegende Meßfrequeiv/.werlc f,„\ und /",„.> ergeben. Ermittelt man zunächst eine erste Größe

Vvt/η,ίΙ V, (L.) μ,

aus dem Phasenwinkel ψ,,JLi) bei der Mcßfrequen/. /'„„ und dem Phasenwinkel ψχ(ί«α) bei der Meßfrequenz f_m! und leitet dann die unulogc Größe r„ für die entsprechenden Phasenwinkel φ,, ab, so erhält man aus der Differenz <4τ»,_π=«·τ,--τ,ι mittels des Rechners 51 ein genaues Maß für den Gruppenluufzeiiunterschicd zwischen X und N in dem Frequenzbereich, der durch t_m\ und tun definiert wird. Ersetzt man auch hier das Vergleichsnormal N durch einen Kurzschluß, so ergibt 4t,,„ ein genaues Maß für die Gruppenlaufzeit des Meßobjekts Xin dem betrachteten Frequenzbereich,

In an sich bekannter Weise kann das Meßobjekt A mich uus einer BrUekcnschultung bestehen, deren c'inei Zweig aus einem Scheinwiderstund unbekannter Größi gebildet ist, wobei (A die un der Ausgangsdiugonulc de BrUekcnschultung abgrcifbarc Spannung darstellt. Hier bei lassen sich mit der Anordnung nach Fig.6 de Scheinwiderstundswert oder der Reflexionsfaktor de unbekannten Widerstandes durch eine entsprechend Auswertung der auf vorstehende Weise ermittelte Kenngrößen von IA bestimmen.

In den Ausführungsbcisplelen mich den Fig. I, 3 un 5 wurde bisher vorausgesetzt, duß der Schulirhythmi des Schalters 3 entsprechend der in den FI g. 2 und

dargestellten Schaltspannung L/3 gewählt ist. Hierbei iind 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 U\ und lh 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 L/3 und Lha bzw. L/21

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 Wobbeispannung L/„ zugeführt, die von einem Wobbelspannungsgenerator 77 erzeugt wird. Die am Ausgang des Meßobjekts X abgegriffene Spannung U_x 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 Wobbeispannung U_w als Zeitablenkspannung zugeführt. Mit einer solchen Meßanordnung lassen sich die bereits für einzelne Frequenzwerte von U_m 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 o· imP^uneen da die koordinierten Signale als für Einzelmessungen, ° . _{üssen lhre}

^Uh i^'S^SärdSTd«^ Bruchteil der Einschwingze.t dar nur _betragen. _Zweck

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10

15

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ist, ohne d,» d«,

bellen Meßfrequenz abgestimmt.

Claims (1)

1. Patentanspruch«;:

   1. Abstimmbare Schaltungsanordnung zur selektiven Meissung von Kenngrößen einer Wechselspannung oder Wechselspannungsgruppe, bei der diese an zwei mit einer gemeinsamen Trägerspannung beaufschlagte Umsetzer geführt wird, die bezüglich der Wechse !spannungen oder der Trägerspannung mit 90* Phasendifferenz ausgesteuert sind, und in zwei koordinierte Signale öder Signalgruppen der FreqüenzjNulLpderjinnäherhdiJ^uH umgesetzt wird und bli| ||r| dif^^orSinliei· ten Signale^, iöijer 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 Wechselspanniingen (U_x, U_n) periodisch unterbricht, daß. während der Unterbrechungsphase (26, 27 usw.) jede der an den Ausgängen (12,13) der Gleichspannungsverstärker (1(Ml) auftretenden Fehlspannungen abgetastet und einem Eingang des jeweils zugeordneten Gleichspannungsverstärkers (10,11) als Kompensationsspannung (Uku Uta) mit einer solchen Amplitude und Polarität zugeführt wird, daß eine Fehlspannungskompensation eintritt, und daß die Kompensationsspannungen/L/*), Uta) nach Speicherung auch während der jeweils folgenden Durchschaltphase (24,25 usw.) des Schalters (3) wirksam bleiben.
   •^:l 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 t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die koordinierten und kompensierten Signale (Uu Ui) 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_V, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der koordinierten und kompensierten Signale (LA, Ui) oder Signalgruppen jeweils gleich/eilig (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 (Uku Uk2) abgibt.

   6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensaiionsspannungen (Uk\, Uki) 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 (U\, LJi) oder Signalgruppen belegt sind.

   7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprii-

   ehe 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorumsetzung^tuf? (63 -67) vorgesehen ist, die einen eihganpiffeHigen großen relativen Frequenzbereich mittels Inner zugeordneten, in der Frequenz einstellbareni TOgerspannung auf ein den beiden Umsetzern (4, 5) zugeführtes Zwischenfrequenzband umsetzt; innerhalb dessen jede Frequenz durch eine entsprechende Frequenzeinstellung der den letzteren zügeführten Trägerspannurig (U,) auf null Hz umsetzbar ist.

   8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ggf. über $e' beidfen Abtast- und Speicherschaltungen (37, 38) abgegebenen koordinierten und kompen sierten Signale (Uu Lh) einer analogen Auswerteeinrichtung (22) zugeführt werden, die ein der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Amplituden der koordinierten Signale (Uu Ui) entsprechende Ausgangssignal bildet, das dem Effektivwert (U_x, err) der Wechselspannung (L^ bzw. der effektiven Wechselspannungsleitung der Wechselspannungsgruppe oder beim Anlegen eines eingangsseitigen Rauschspannungsspektrums der effektiven Rauschspannungsleistung innerhalb des durch rlie 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 (Uu U₂) digitalisiert und einem Rechner (32, 51) zugeführt werden, der aus ihnen einzelne, mehrere oder sämtliche der nachfolgenden Kenngrößen der Wechselspannung (U_x) ableitet:

   a) U_x, 0= I^TTÖT

   b) p_x=20- log ^

   c) φ_χ = arc

   d) Vektorkoordinaten der Wechselspannung (U_x) im rechtwinkligen oder im Polarkoordinatensystem,

   c) \U_eJI= l/_{x< <ff}- [/„,,„

   O I ρ = 20 · log

   I U ~ (I _v — «'„

   U.

   n. rJT

   h) Vektorkoordinaten der Differenzspannung zwischen der Wechselspannung (LZ_x) und einer zweiten, gleichfrequenten Wechselspannung

   Vn 1./im2) "" 7 η (./ml)

   ■, Vn 1./im2)

   - ⁿ (./«.J /ml»

   k) I 7_Λ „ --- r, - r„,
   wobei i/_v den KITektivwcrt der Wechselspannung

   _x) ein Maß für die effektive Wechselspannungsleiitung einer ,Wechselspannungsgruppe oder ein Maß für die effektive .Rauschspannungsleistung innerhalb des. selektierten Bandes, eines. ejugangsseitigen Rauschspannungsspektrums, p, den Regelten der -s Wechselspannung ^relativ zu eii^er Bezugsspannung (Vo), ψχ den yöij der Wechselspannung mit der den Umsetzern (4, 5) zugeführten Trägerspannung (Ui), eingeschlossenen Phasenwinkel, Δ Uetr den Effektivv/ert der Differenzspannung zwischen der ₍₀ Wechselspannung (U_x) und einer zweiten, gleichfrequenten Wechseispannung (U₀XAp die Pegeldifferenz zwischen den gleichfrequenten Wechselspannungen (U_x, U_n), q>„ den von der gleichfrequenten Wechselspannung (U_n) mit der den Umsetzern (4,5) zugeführten Trägerspannung (UJ eingeschlossenen Phasenwinkel, Δψ den von den gleichfrequenten Wechselspannungen (U_x, U_n) eingeschlossenen Phasenwinkel, q>*(fxn\) den von der Wechselspannung (U_x) mit der Trägerspannung (U₁) bei der Meßfrequenz f„,\ eingeschlossenen Phasenwinkel, q>„(fna) den entsprechenden Phasenwinkel bei der Meßfrequenz, fnü< <Pn(fin\) und ψπ(ίηΰ) die entsprechenden Phasenwinkel für die gleichfrequente Wechselspannung (U_n) und -Avjtj, die Gruppenlaufzeit eines Meßobjekts (K). über das die Wechselspannung (U_x) aus einem .Meßsignal (U_m) abgeleitet wird bei gleichzeitiger Ableitung der gleichfrequenten Wechselspannung (U_n) aus demselben Meßsignal (U_m) 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 (U\, U₂) mittels eines Analog-DigUalwandlers (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 (U_x) 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 (!(^vorgesehen sind. ■<

   13.· Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur genauen Auswertung der Kenngrößen von zwei Wechseispannungen (U_x, U_n) gegeneinander ein AVTV-Unischalter 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 (Ui) für die Umsetzer (4, 5) liefernden Generators (6) in der Weise zugeführt werden, daß die genannten («1 Ausgangsspannungen auf Null geregelt werden.

   14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichr._., daß die am Ausgang eines der Gleichspannung-.-;stärker (IG, 11) auftretenden Spannungen über einen Regelkreis. (15 einem Phasen- bzw. Frcqucnzstcucreingang des Übcrhigerungsos/.illators (65) der Vorumsetzungsstufe (63-67) in der Weise zugeführt werden, daß die genannten Ausgangsspannungen auf Null geregeltwerden.

   15. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein meßspannungserzeugender Schaltungsteil vorgesehen ist, in dem aus der Trägerspannung (U₁) der Umsetzer (4i,5) und ggf. aus der Trägerspannung der Vorumsetzungsstufe (63-67) ein Meßsignal (U_n,) abgeleitet und einem Meßobjekt (X) zugeführt wird; dessen Ausgangsspannung die Wechselspannung (U_x) darstellt, und daß die Kenngrößen der Wechselspannung (U_x) zur Angabe der Übertragungsgrößen des MeßobjektsMdienen.

   16. Schaltungsanordnung nach. Anspruch 15; dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerspannung (Ui) der Umsetzer (4, 5) oder ggf. die Trägerspannung der Vorumsetzungsstufe (63-67) zur Durch-

   . führung einer Wobbelmessung stetig und periodisch frequenzmoduliert werden. . ·