DE2658959A1

DE2658959A1 - Phase shift angle measuring circuit - converts input signals into rectangular voltage and applies to two differential amplifiers

Info

Publication number: DE2658959A1
Application number: DE19762658959
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl Ing Seyfarth
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1976-12-24
Filing date: 1976-12-24
Publication date: 1978-07-06

Abstract

The circuit measures the phase angle between two electric signals, and has pulse shaper stages for derivation of rectangular voltages from the input signals. A differential stage follows the pulse shaper stages and is itself followed by a rectifier. The pulse shaper stages are connected to inverting inputs of the differential amplifiers (V1, V2) to which the input signals (U1, U2) are also applied. Output voltages (U3, U4) of the amplifiers are applied through differentiating circuits (C1, R3; C2, R4) to a further differential amplifier (V3), whose output voltage (U7), proportional to the phase shift angle between the input signals (U1, U2), is applied to its non-inverting input.

Description

Schaltungsanordnung zur Messung des PhasenverschiebungswinkelsCircuit arrangement for measuring the phase shift angle

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung des pnasenverschiebungswinkels zwischen zwei elektrischen Signalen mit Impulsformerstufen zur Ableitung rechteckförmiger Spannungen aus den Eingangssignalen, mit einer den Impulsformerstufen nachgeschalteten Differenzstufe und mit einer an der Differenzstufe angeschlossenen Gleichrichterschaltung, Derartige Schaltungsanordnungen sind bekannt. Beispielsweise beschreibt die DT-OS 15 16 257 ein Phasenmeßgerät mit zwei bistabilen Impulsformerstufen und einem Wechselrichter bestehend aus zwei Transistoren und einem Übertrager mit zwei Primärwicklungen und einer mit einer Gleichrichterschaltung abgeschlossenen Sekundärwicklung. Die gleichgerichtete Sekundärspannung des übertragers wird mit einem Drehspulinstrument zur Anzeige gebracht.The invention relates to a circuit arrangement for measuring the phase displacement angle between two electrical signals with pulse shaping stages for deriving rectangular signals Voltages from the input signals, with a downstream of the pulse shaper stages Differential stage and with a rectifier circuit connected to the differential stage, Such circuit arrangements are known. For example, the DT-OS describes 15 16 257 a phase measuring device with two bistable pulse shaping stages and an inverter consisting of two transistors and a transformer with two primary windings and a secondary winding terminated with a rectifier circuit. The rectified Secondary voltage the transformer is made with a moving coil instrument brought to the display.

Bei der bekannten Schaltungsanordnung erfolgt die Messung der Phasenlage zweier beispielsweise sinusförmiger Signale dadurch, daß zunächst jedes Eingangssignal mit Hilfe der bistabilen Impulsformerstufen in Rechtecksignale umgeformt wird, wobei die Polaritäten eines Sinussignals und eines dazugehörigen Rechtecksignals einander entsprechen. Die Ausgänge der Impulsformerstufen sind an den Steuereingängen zweier Transistoren angeschlossen, die ihrerseits den Stromfluß durch die Primärwicklungen des Ubertragers steuern Die Wirkungsweise der bekannten Schaltungsanordnung beruht nun darauf, daß sich die magnetischen Flüsse in den Primärwicklungen immer dann neutralisieren, wenn die angelegten Eingangssignale die gleiche Polarität aufweisen. Zu diesem Zweck weisen die Primärwicklungen des Übertragers den entgegengesetzten Wicklungssinn auf Folglich entsteht an der Sekundärwicklung des Übertragers eine Wechselspannung, deren Frequenz der Frequenz der Eingangssignale entspricht und deren arithmetischer Mittelwert dem Phasenverschiebungswinkel zwischen den Eingangssignalen entspricht.In the known circuit arrangement, the phase position is measured two, for example, sinusoidal signals in that each input signal is converted into square-wave signals with the help of the bistable pulse shaper stages, with the polarities of a sinusoidal signal and an associated square wave signal are mutually exclusive correspond. The outputs of the pulse shaper stages are at the control inputs of two Transistors connected, which in turn control the flow of current through the primary windings control of the transformer The mode of operation of the known circuit arrangement is based now ensure that the magnetic fluxes in the primary windings always then neutralize when the applied input signals have the same polarity. For this purpose, the primary windings of the transformer have the opposite one Winding sense on As a result, there is a on the secondary winding of the transformer AC voltage, the frequency of which corresponds to the frequency of the input signals and whose arithmetic mean is the phase shift angle between the input signals is equivalent to.

Bei dem bekannten Phasenmeßgerät wird jedoch die Erfordernis eines Übertragers mit zwei Primärwicklungen aus Kostengründen als nachteilig empfunden.In the known phase measuring device, however, the requirement of a Transformer with two primary windings felt to be disadvantageous for reasons of cost.

Deshalb lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der obengenannten Art zu schaffen, die ohne einen aufwendigen Dreiwicklungsübertrager funktionsfähig ist.Therefore, the present invention had the object of providing a To create circuit arrangement of the type mentioned above, without a complex Three-winding transformer is functional.

Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Impulsformerstufen invertierend mit den Eingangssignalen belegte Differenzverstärker eingesetzt sind, daß deren Ausgangsspannungen über Differenzierglieder einem weiteren Differenzyerstärker zugeführt sind und daß die nach der Mittelwertbildung dem Phasenverschiebungswinkel der Eingangs signale proportionale Ausgangs spannung des Differenzverstärkers auf seinen nichtinvertierenden Eingang zurückgeführt ist.According to the invention, this object was achieved in that as pulse shaper stages Differential amplifiers assigned to the input signals in an inverted manner are used, that their output voltages via differentiators to a further differential amplifier are supplied and that the phase shift angle after the averaging the input signals proportional output voltage of the differential amplifier is returned to its non-inverting input.

Ein Ausführungsbeispiel ist im folgenden anhand von Fig. 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert.An exemplary embodiment is shown below with reference to FIGS. 1 and 2 Drawing explained in more detail.

Fig. 1 zeigt einen Stromlaufplan der Schaltungsanordnung.Fig. 1 shows a circuit diagram of the circuit arrangement.

Fig. 2 stellt die zum Verständnis der Schaltungsanordnung wichtigen Signale in der Form von Liniendiagrammen gegenüber Einander entsprechende Signale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Fig. 2 shows the important for understanding the circuit arrangement Signals in the form of line graphs against corresponding signals are provided with the same reference numerals.

In Fig. 1 sind mit Ri ... R7 Widerstände, mit Da ... D12 Gleichrichterdioden, mit Cj ... C3 Kondensatoren und mit V1 1 ... V3 Differenzverstärker bezeichnet. Die Eingangssignale tragen die Bezugszeichen U1, U2. Ferner sind mit U3 ... U6 Spannungen an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung, mit U7 die Ausgangs spannung, mit U8 deren Mittelwert und mit # der Phasenverschiebungswinkel zwischen den Eingangs signalen Ul, U2 bezeichnet.In Fig. 1 with Ri ... R7 resistors, with Da ... D12 rectifier diodes, with Cj ... C3 capacitors and with V1 1 ... V3 differential amplifier designated. The input signals have the reference symbols U1, U2. Furthermore are with U3 ... U6 voltages at various points in the circuit arrangement, with U7 the Output voltage, with U8 its mean value and with # the phase shift angle called between the input signals Ul, U2.

Die genannten Bauelemente sind wie folgt zusammengeschaltet: Die Eingangssignale U1, U2 gelangen jeweils direkt zu den invertierenden Eingängen der Differenzverstärker V1, V2, deren nichtinvertierende Eingänge über Widerstände R1, R2 mit Nullpotential verbunden sind. Zur Vermeidung von Übersteuerungen der Differenzverstärker h , V2 sind ihre Eingänge jeweils durch zwei antiparallelgeschaltete Gleichrichterdioden D1, D2 bzw. D3, D4 überbrückt. Die Folge davon ist, daß die Verstärkereingänge maximal mit der Schwellspannung der Dioden D1~ ... D4 belegt werden.The components mentioned are interconnected as follows: The input signals U1, U2 each go directly to the inverting inputs of the differential amplifiers V1, V2, their non-inverting inputs via resistors R1, R2 with zero potential are connected. To avoid overdriving the differential amplifiers h, V2 their inputs are each through two anti-parallel connected rectifier diodes D1, D2 or D3, D4 bridged. The consequence of this is that the amplifier inputs are maximal can be assigned the threshold voltage of the diodes D1 ~ ... D4.

Die Ausgänge der Differenzverstärker V1, V2 sind über Kondensatoren Cl, C2 und über für positive Ausgangsspannungen in Sperrlcktung gepolte GleXchrtchterdioden Dg, D10 an Nullpotential angeschlossen.The outputs of the differential amplifiers V1, V2 are via capacitors Cl, C2 and via reverse blocking polarized rectifier diodes for positive output voltages Dg, D10 connected to zero potential.

An dem am Ausgang des Differenzverstärkers n liegenden Kondensator C1 ist eine für positive Ausgangsspannungen leitende Gleichrichterdiode Da1 angeschlossen, deren Kathode mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers V3 und über den Widerstand R3 mit Nullpotential verbunden ist.At the capacitor located at the output of the differential amplifier n C1 is connected to a rectifier diode Da1 that conducts positive output voltages, their cathode to the inverting input of the differential amplifier V3 and is connected to zero potential via the resistor R3.

Durch die in äquivalenter Weise mit dem Widerstand R4 zusammengeschaltete Gleichrichterdiode D12 ist der Ausgang des Differenzverstärkers V2 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers V3 verknüpft.By interconnected in an equivalent manner with the resistor R4 Rectifier diode D12 is the output of the differential amplifier V2 with the non-inverting one Linked input of the differential amplifier V3.

Am Ausgang des Differenzverstärkers V3 liegt einerseits der Widerstand R5, der die Ausgangsspannung auf den nichtinvertierenden Verstärkereingang zurückführt und andererseits der Widerstand R6, über den die Ausgangsspannung des Verstärkers V3 einer aus den Gleichrichterdioden D5 ... D8 und der Zenerdiode Z zusammengesetzten Gleichrichterschaltung zugeführt wird. Zur Glättung der Ausgangsspannung ist ferner ein RC-Glied R7, C3 vorgesehen.On the one hand, the resistor is at the output of the differential amplifier V3 R5, which feeds the output voltage back to the non-inverting amplifier input and on the other hand the resistor R6, through which the output voltage of the amplifier V3 one composed of the rectifier diodes D5 ... D8 and the Zener diode Z. Rectifier circuit is supplied. To smooth the output voltage is also an RC element R7, C3 is provided.

Die Schaltungsanordnung zeichnet sich durch folgende Wirkungsweise aus: Zur Bestimmung des Phasenverschiebungswinkels # der in Fig. 2 dargestellten Eingangssignale U1, U2, bei denen es sich beispielsweise um Sinus spannungen gleicher Amplitude und Frequenz handelt, wird jeweils ein Eingangssignal U1 bzw. U2 an dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers V1 bzw. V2 angeschlossen. Durch die invertierende Belegung der Differenzverstärker V1, V2, ihre großen Verstärkungsfaktoren und die spannungsbegrenzenden Gleichrichterdioden D1... D4 zwischen den Verstärkereingängen entstehen an ihren Ausgängen rechteckförmige, bezüglich ihrer Polarität den Eingangssignalen U1, U2 antivalente Spannungen U3, U4, die ihrerseits infolge der als Differenzierglieder wirkenden Kondensatoren C1, C2 impulsförmige Spannungen U5, U6 an den Widerständen R3, R4 hervorrufen. Die Gleichrichterdioden D11, D12 bewirken dabei, daß ein Spannungsimpuls jeweils nur zu Beginn jeder positiven Rechteckhalbwelle der Spannungen U3, U4 auftritt.The circuit arrangement is characterized by the following mode of operation off: To determine the phase shift angle # that shown in FIG Input signals U1, U2, which are, for example, sinusoidal voltages of the same Amplitude and frequency are involved, an input signal U1 or U2 is applied to the inverting input of a differential amplifier V1 or V2 connected. By the inverting assignment of the differential amplifiers V1, V2, their large gain factors and the voltage-limiting rectifier diodes D1 ... D4 between the amplifier inputs arise at their outputs rectangular, with respect to their polarity the input signals U1, U2 antivalent Voltages U3, U4, which in turn result from the as differentiators acting capacitors C1, C2 pulse-shaped voltages U5, U6 cause the resistors R3, R4. The rectifier diodes D11, D12 cause a voltage pulse only at the beginning of each positive square half-wave of the voltages U3, U4 occurs.

Die impulsförmigen Spannungen U3, U4 bilden ihrerseits die Eingangssignale des Differenzverstärkers V3, dessen Ausgang mit Hilfe des Widerstandes R5 auf seinen nichtinvertierenden Eingang zurückgeführt ist und der infolgedessen ein bistabiles Schaltverhalten aufweist. Und zwar steuert ein Impuls am invertierenden Verstärkereingang die Spannung U7 an seinem Ausgang in den negativen Bereich, während ein Impuls am nichtinvertierenden Eingang die Spannung U7 wieder in den positiven Bereich zurückkippen läßt.The pulse-shaped voltages U3, U4 in turn form the input signals of the differential amplifier V3, the output of which with the help of the resistor R5 on his non-inverting input and which is consequently a bistable Has switching behavior. A pulse controls the inverting amplifier input the voltage U7 at its output in the negative range, while a pulse on non-inverting input, the voltage U7 tilt back into the positive range leaves.

Die Spannung U7 am Ausgang des DifferenzverstArkers X3 gelangt geber den Widerstand R6 zu der Gleichrichterschaltung D5 ... D8, Z, die an einem aus dem Widerstand R7 und dem Kondensator C3 bestehenden EC-Glied eine AusgangsgleXchspannung V8 zur Yerfgung steht, die dem phasenverschtebungswinkel # zwischen den E1ngangssignalen U1, U2 proportional ist.The voltage U7 at the output of the differential amplifier X3 arrives at the encoder the resistor R6 to the rectifier circuit D5 ... D8, Z, which is connected to one of the Resistor R7 and the capacitor C3 existing EC element an output DC voltage V8 is available for the phase shift angle # between the input signals U1, U2 is proportional.

6 Seiten Beschreibung 2 Ansprüche 1 Blatt Zeichnungen6 pages description 2 claims 1 sheet of drawings

Claims

Claims 1. Circuit arrangement for measuring the phase shift angle between two electrical signals with pulse shaping stages for deriving rectangular signals Voltages from the input signals, with a downstream of the pulse shaper stages Differential stage and with a rectifier circuit connected to the differential stage, characterized in that as pulse shaper stages inverting with the input signals (U, U2) occupied differential amplifiers (V1, V2) are used that their output voltages (U3, U4) via differentiators (C1 R3; C2, R4) to a further differential amplifier (V3) are supplied and that the phase shift angle after the averaging (#) of the input signals (U1, U2) proportional output voltage (U7) of the differential amplifier (V3)) is traced back to its non-inverting input.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that that the inputs of the differential amplifier connected to the input signals (U1, U2) (V1, V2) for signal limitation with anti-parallel connected rectifier diodes (D1, D2, D3, D4) are bridged.