DE2701837A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur erhoehung der empfindlichkeit von selektiven spannungs- oder pegelmessern - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zur erhoehung der empfindlichkeit von selektiven spannungs- oder pegelmessern

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DE2701837A1
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Karl Ing Grad Schlosser
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0007Frequency selective voltage or current level measuring

Description

  • Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Empfindlich-
  • keit von selektiven Spannungs- oder Pegelmessern Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Empfindlichkeit von selektiven Spannungs- oder Pegelmessern.
  • Bei den bisher bekannten selektiven Pegelmessern bestimmt das unvermeidliche Eigenrauschen die Empfindlichkeitsgrenze, die bisher lediglich durch Verkleinern der Meßbandbreite gesteigert werden konnte. So lassen bei einer Zwischenfrequenz von beispielsweise 100 kHz, wie sie oberhalb des 1/f-Rauschens von Halbleitern liegt, die Siebmittel der Filterschaltungen üblicherweise minimale Rauschbandbreiten zwischen 20 und 200 Hz. zu.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Erhöhung der Empfindlichkeit von selektiven Spannungs- oder Pegelmessern anzugeben, ohne daß eine Verkleinerung der Meßbandbreite mittels Fliterschaltungen erforderlich ist.
  • Die erfindungagemäße Schaltungsanordnung verwendet eine erste gesteuerte Gleichrichteranordnung, die aus zwei Gegentaktmodulatoren besteht, eine zweite gesteuerte Gleichrichteranordnung, die ebenfalls aus zwei Gegentaktmodulatoren aufgebaut ist und deren Signaleingänge mit den beiden Ausgängen der ersten Gleichrichteranordnung über zwei Tiefpäse verbunden sind, sowie einem frequenzgeregelten Oszillator, dessen Frequenz zu der Frequenz eines eingangsseitigen Meßsignals in einer rationalen Frequenzrelation steht und der über gegebenenfalls vorgeschaltete Frequenzteiler mit den Trägereingängen der Gegentaktmodulatoren verbunden ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden der ersten, aus zwei Gegentaktmodulatoren bestehenden, gesteuerten Gleichrichteranordnung außer einem Meßsignal zwei mit diesem in einer vorgegebenen rationalen Frequenzrelation stehende, um 900 gegeneinander phasenverschobene Signale zugeführt, wonach die abgegebenen Gleichstromsignale sowie zwei weitere, um 900 gegeneinander phasenverschobene, Trägersignale einer zweiten, aus zwei Gegentaktmodulatoren bestehenden gesteuerten Gleichrichteranordnung zugeführt werden, die eine Vektoraddition durchführt, so daß am Ausgang eines den Gegentaktmodulatoren der zweiten Gleichrichteranordnung nachgeschalteten Differentialübertagers ein Signal abgegriffen wird, dessen Amplituden dem Betrag des Vektors der Meßspannung proportional ist.
  • Gesteuerte Gleichrichteranordnungen werden in der Meßtechnik vielseitig eingesetzt, so beispielsweise in der Bauteilemeßtechnik, wo Meßsignale getrennt nach Wirk- und Blindkomponente ausgewertet werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Auswerten von gestörten Signalen durch korrelativen Vergleich mit einem frequenz- und phasengleichen ungestörten Signal (Signalrückgewinnung).
  • Bei der bekannten Methoden zur Signalrückgewinnung muß zur Abtastung des Meßsignals ein gleichphasiges ungestörtes Hilfssignal zur Verfügung stehen, das Jedoch überlicherweise bei Pegelmessern, bei denen das zwischenfrequente Meßsignal in seiner Phase nicht beksnnt und damit nicht stabil ist, nicht vorausgesetzt werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und das zugehörige Verfahren ermöglichen eine korroletive Signalauswertung, wenn ein Hilfssignal beliebiger Phase mit einem rationalen Frequenzverhältnis zum Meßsignal zur Verfügung steht, in der Weise, daß eine Trennung von Meßsignal und überlagertem Stör- (Rausch-) Signal erfolgt. Während sich die aus dem Meßsignal ergebenden Gleichstrom-Zeitflächen aufaddieren lassen, ergeben sich aus dem Rauschsignal herrührenden Signalanteile bei der gleichen Integration den Gleichstrommmittelwert Null.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Dabei zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild des Ausführungsbeispiels und Fig. 2 eine Teilachaltung von Fig. 1.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild wird das Meßsignal UN, fM, an die Signaleingänge der ersten gesteuerten Gleichrichteranordnung 1 gelegt. Sie besteht aus zwei Gegentaktmodulatoren, denen als Trägersignale die mit dem Meßsignal gleichfrequneten Signale Uo sin(wt) und Uo cos(wt) zugeführt werden Diese Trägersignale werden aus dem phasengeregelten Oszillator 4 mit der Frequenz fo = 2.fM durch Frequenzteilung 2:1 in digitalen Frequenzteilern 5, 6 gewonnen. Durch diese Frequenzteilung entsteht aus dem eingangsseitigen Phasenversatz von 1800 eine Zeitverschiebung zwischen den Ausgangssignalen von 1/2 Taktperiode = 1/4 Periode der Ausgangsspannung = 900. Der Oszillator 4 kann in an sich bekannter Weise auf eine ihm zugeführten Hilfsfrequenz synchronisiert werden, beispielsweise durch einen Frequenzregelkreis auf der Basis einer Phasenregelung.
  • Bei der Signalrückgewinnung mittels der zweiten gesteuerten Gleichrichteranordnung 2 wird nun die Tatsache ausgenützt, daß der Gleichstrommittelwert eines (überlagerten) Rauschsignals Null ist, während die vom Meßsignal herrührenden Energieanteile sich aufaddieren. Dabei kann bei jedem beliebigen Winkel # zwischen dem Meßssignal und einem der beiden Trägersignale aus den Spannungs-Zeitflächen, die sich bei der Abtastung mit zwei um 900 gegeneinander verschobenen Trägersignalen ergeben, auf den Betrag des Vektors #M sin (wt + #) geschlossen werden.
  • Für die Sin-Abtastung mit gleichfrequentem Träger gilt: Für die Cos-Abtastung mit gleichfrequenten Träger gilt: Aus den an den Ausgängen der Tiepässe R1, C1 und R2, C2 anstehenden Gleichspannungen bei fT/fM = 1 lässt sich der Betrag des Vektors UN durch quadratische Addition ermitteln: Die Spannung Uges ist ein affines Abbild des Effektivwertes der zu bestimmenden Meßgröße UM und unterscheidet sich lediglich um den Faktor k: Diese quadratische Addition der Gleichspannungssignale wird mit Hilfe der zweiten gesteuerten Gleichrichteranordnung 2 vorgenommen, die ebenfalls aus zwei Gegentaktmodulatoren besteht, denen die Trägersignale Uo sin(wt) und Uo cos(wt) zugeführt werden.
  • Die Tträgersignale Uo sin(wt) und Uo cos (wt) am zweiten Modulatorparr brauchen nicht mit fM frequenzgleich zu sein.
  • Möchte man Jedoch Frequenzgleichheit, so kann die gesammte Anordnung auch als Filterschaltung mit frei wählbarer Bandbreite (Grenzfrequenz der R-O-Tiefpässe) interpretiert werden. Es lassen sich auf diese Art Filterbandbreiten realisieren, die mit L-C- oder Quarsband-Röhren nicht erreichbar sind, z.B. BP 100kHz mit Durchlaßbreite (3 dB) 0,1 Hz.
  • Fig. 2 zeigt die gesteuerte Gleichrichteranordnung 2 in vereinfachter Darstellung. Das Transisitorpaar 7, 8 wird im Takt wt mit Hilfe des Transistors 9 leitend geschaltet. Ebenso schaltet der Transistor 10 im gleichen Takt mit 900 Phasenverschiebung das Transisitorpaar 11, 12. Die Transistoren 9 und 10 werden mäanderförmig leitend geschaltet, das Tastverhältnis beträgt für jeden Tranistor 50 %. Die Widerstände 13 bis 16 sind untereinander gleich. Für U14 = 0 sind die Ströme in den Tranistoren 7, 8, ii, 12 gleich, so daß am Ausgang des Differentialübertragers 17 keine Ausgangsspannung erscheint. Für UM + 0 und beliebigen Winkel # treten in den Tranistorpaaren 7, 8 bzw. 11, 12 Stromunterschiede auf. Die Ausgangsspannung am Übertrager 17 läßt sich dabei wie folgt berechnen: Es gilt also Ua(w) # #M Am Ausgang der gesteuerten Gleichrichteranordnung 2 kann also ein Wechselstromsignal der Frequenz fM abgenommen werden, dessen Amplitude proportional zur Meßspannung UM ist. Die Phasenverschiebung # = arctan ein # ist für die Betragsauswertung bedeutungslos.
  • Da Ua (w) auch proportional lIR ist, wobei mit R der einheitliche Wert der Widerstände 12 bis 16 bezeichnet ist, kann der Übertragungsfaktor der Schaltungsanordnung in weitem Bereich frei gewählt werden.
  • 4 Patentansprüche 2 Figuren L e e r s e i t e

Claims (4)

  1. Patentansprüche (1) Verfahren zur Erhöhung der Empfindlichkeit von selektiven Spannungs- oder Pegelmessern, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß einer ersten aus zwei Gegentaktmodulatoren bestehenden gesteuerten Gleichrichteranordnungen außer einem Meßsignal UM, fM zwei mit diesem in einer vorgegebenen rationalen Frequenzrelation stehende, um 900 gegeneinander phasenverschobene Trägersignale zugeführt werden, daß abgegebene Gleichstrimsignale der Form #M cos# und #M sin# sowie zwei weitere, um 900 gegeneinander phasenverschobene Trägersignale U cosut und U sinwt einer zweiten, aus zwei Gegentaktmodulatoren bestehenden gesteuerten Gleichrichteranordnung zugeführt werden, die eine Vektoraddition durchführt und daß am Ausgang eines den Gegentaktmodulatoren des zweiten Gleichrichteranordnung nachgeschalteten Differentialübertragers ein Signal abgegriffen wird, dessen Amplitude dem Betrag des Vektors #M proportional ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Trägersignale U coswt und U sinwt an der zweiten gesteuerten Gleichrichteranordnung die gleiche Frequenz wie das Meßsignal aufweisen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Phasendiferenz von 90° zwischen den Trägersignalen durch zwei dem frequenzgeregelten Oszillator nachgeschaltete digitale Frequenzteiler mit einem Teilerverhältnis von 2:1 erfolgt, deren Eingängen Je ein Oszillatorsignal mit der doppelten Trägerfrequenz und den Phasen 0° bzw. 1800 zugefahrt wird.
  4. 4. Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Empfindlichkeit von selektiven Spannungs- oder Pegelmessern, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h eine erste gesteuerte Gleichrichteranordnung die aus zwei Gegentaktmodulatoren besteht, eine zweite gesteuerte Gleichrichteranordnung, die ebenfalls aus zwei Gegentaktmodulatoren aufgebaut ist und deren Signaleingänge mit den beiden Ausgängen der ersten Gleichrichteranordnung iiber zwei Tiefpässe verbunden sind, und einen frequenzgeregelten Oszillator, dessen Frequenz zu der Frequenz eines eingangsseitigen Meßsignals in einer rationalen Frequenzrelation steht und der über ggf. vorgeschaltete Frequenzteiler mit den Trägereingängen der Gegentaktmodulatoren verbun -den ist.
DE19772701837 1977-01-18 1977-01-18 Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Empfindlichkeit von selektiven Spannungs- oder Pegelmessern Withdrawn DE2701837B2 (de)

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