DE2704076B2 - Einrichtung zur Fehlerkorrektur an einer analogen Multiplikationseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Fehlerkorrektur an einer analogen Multiplikationseinrichtung, die nach dem Verfahren der Time-Division-Multiplikation arbeitet, mit einem Modulator, einem ersten Kommutator und einem Tiefpaßfilter, wobei der Modulator derart gesteuert wird, daß er ein Rechtecksignal von hoher Frequenz erzeugt, dessen zyklisches Verhältnis proportional zu einem ersten analogen, dem Eingang des Modulators zugeführten Eingangssignal ist, der durch dieses zyklische Verhältnis gesteuerte erste Kommutalor an seinem ersten Eingang ein zweites analoges Eingangssignal und an seinem zweiten Eingang dasselbe zweite Eingangssignal mit umgekehrtem Vorzeichen empfängt, und das Filter an den Ausgang des ersten Kommutators angeschlossen ist und ein kontinuierliches Ausgangssignal liefert, welches im wesentlichen gleich dem Mittelwert des momentanen Skalarproduktes der beiden Eingangssignale ist

Ein Prinzip der Fehlerkompensation ist aus der DE-AS 15 24 297 bekannt. Dort werden die Nullpunktsfehler von Verstärkern dadurch korrigiert, daß ein Meß- und ein Korrekturzyklus durchgeführt und der Meßfehler gespeichert wird. Der Meßfehler wird jedoch nicht

i«) ständig zur Korrektur des Meßergebnisses verwendet, sondern lediglich während des Meßzyklus dem Eingang eines Verstärkers zugeführt. Das korrigierte Meßergebnis erhält man jedoch nur während des Meßzyklus.
Weiterhin ist aus der DE-AS 12 39 507 eine

υ Einrichtung bekannt, bei der drei Modulatoren durch einen Taktgenerator gesteuert werden und gleich lange positive und negative Impulse liefern. Bei dieser Einrichtung wird der Nullpunktsfehler durch Begrenzungsverstärker kompensiert, die jedoch wesentlich aufwendiger sind als Operationsverstärker in IC-Bauweise.

Bei beiden Einrichtungen wird aber nur einer der Fehler elektronischer Verstärker bzw. Multiplikatoren kompensiert, nämlich der Nullpunktsfehler. Wie vielfäl-

r> tig die Fehler bei elektronischen Multiplikatoren, die nach dem Verfahren der Time-Division-Multiplikation arbeiten, jedoch sein können, zeigt der Aufsatz von M.Tomota ^;n IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. IM-17, Nr.4. Dezember 1968, auf

in den Seiten 245 — 251 (insbeonderc Seite 246) mit dem Titel »An Electronic Multiplier for Accurate Power Measurements«.

Bei den relativ hohen Frequenzen, mit denen der Modulator arbeitet, treten Streuungen und Umschalt-

Γ) Verzögerungen auf, und zwar sowohl beim Einschalten als auch beim Trennen und ohne daß diese Verzögerungen identisch wären. Darüber hinaus treten auch vom Signalniveau unabhängige Umschaltverzögerungen auf, die die Linearität des Multiplikators negativ beeinflussen.

Auf die Nullpunktsfehlcr der Verstärker wurde bereits hingewiesen. Diese können wohl durch Verwendung von Bcgrcnzungsverslarkein reduziert werden, die jedoch im Vergleich zu Operationsverstärkern in

4"i IC-Bauweise wesentlich aufwendiger sind.

Derartige Mulliplikationseinrichtungcn finden sich vorzugsweise in elektronischen Wattmetern. Falls ein Wattmeter gleichsirommäßig ständig ohne Zunahme der Fehler arbcilen kann, isi es möglich, das Gerät

in gleichstrommäßig zu eichen, was einen wesentlichen Vorteil mit sich bringt, da Priizisions-Gleichstromquellcn leichter erhältlich sind und es nicht mehr erforderlich ist, eventuelle Nullpunktsfehlcr oder Verzerrungen der Wellenformen zu berücksichtigen.

γ-, Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, die Fehler einer nach dem Time-Division-Multiplikationsverfahren arbeitenden Multiplikalionseinrichtung zu korrigieren, so daß diese über eine sehr lange Meßzeit hinweg dauernd mit hoher Präzision arbeitet, und zwar

ho sowohl bei hohen Frequenzen als auch bei rechteckigen oder verzerrten Signalen oder sogar bei Gleichstromsignalen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein durch die Impulse einer Zeitbasis mit niedriger Frequenz ge-

M steuerter zweiter, dem Modulator vorgeschalteter Kommutator vorgesehen ist, an dessen beiden Eingängen das erste Eingangssignal bzw. ein Nullpotential anliegen und der in Abhängigkeil von den Impulsen der

Zeitbasis den Eingang des Modulators abwechselnd während eines ersten Zeitraums mit dem ersten Eingangssignal und während eines zweiten Zeitraums mit dem Nullpotential verbindet, und daß ein erster Speicher und ein zweiter Speicher vorgesehen sind, deren Eingänge durch eine dritte Kommutatoreinrichtung abwechselnd während des ersten bzw. zweiten Zeitraums mit dem Ausgang des Filters verbunden werden, und daß an die Speicher eine Subtraktionseinrichtung zum Bilden der Differenz der Speichennhalle angeschlossen ist.

Durch die Aufeinanderfolge von Meß- und Korrekturzyklus, die mit einer viel geringeren Frequenz als die Modulationsfrequenz abläuft, die Speicherung der Ausgangssignale und deren Differenzbildung wird erreicht, daß die genannten Fehler bei Time-Division-Multiplikatoren kompensiert werden. Damit ist es beispielsweise möglich, ein Wattmeter zu erhalten, das Signale bis zu 400 Hz und mehr mit hoher Präzision in der Größenordnung von 10-· verarbeitt.ι kann, und zwar kontinuierlich über eine sehr grotie MeQzeit hinweg.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 beschrieben.

Weiterhin ist aus der DE-OS 23 17 739 ein Signaldelektor bekannt, bei dem einem Eingang nacheinander ein Bezugs- und ein Ruhesignal zugeführt werden. Diesem Signaldelektor liegt jedoch nicht die uifgabe zugrunde,die Fehlereines Rechcnopcrations-U.uisteins. wie etwa die Fehler des .Synchrondetektors, zu kompensieren. Im Gegensatz zum AG und zum vorgenannten Stand der Technik liegt diesem Signaldelektor die Problemstellung zugrunde, von dem eingangsscitig ankommenden Signalpegel einen Bezugspegel oder Ruhepegel abzuziehen.

Ausführungsformcn der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Multiplikators, der nach dem Verfahren der Time-Division-Multiplikation arbeitet;

I'ig. 2 ein Blockschaltbild eines crfindungsgcniiißcn Multiplikators mit einer Einrichtung zur Fehlerkorrektur;

F i g. 3 Einzelheiten einer ersten Ausführungsform der Speicherung«- und Siibtraktionscinrichuing nach F i g. 2;

Fig.4 eine zweite Ausführungsform der Speicherung- und Subtraktionseinrichiung; und

Fi g. 5 Kurvetidiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise.

Die Multiplikalionseinrichtung gemäß Fig. 1 besitzt einen Modulator 1, der ein erstes analoges Eingangssignal α· empfängt, welches den Multiplikator darstellt. Der Modulator I erzeugt Rechtecksignale, die eine konstante Amplitude und eine entsprechend dem Momentanwert des ersten Eingangssignals ν veränderliche Dauer haben.

Wenn t\ die Dauer eines positiven Rechtecks bedeutet und wenn i\ + /> die Periode dieser Rechtecksignale in einem bestimmten Augenblick bedeutet, so ist

vorzugsweise ii + /_> = konstant und

ses Verhältnis γ

~\~γ — kx. Di e-

wird das cyclische Verhältnis β.ν

genannt. Es ist Null, wenn v = 0, und kann positive oder negative Werte annehmen je nach dem Vorzeichen von

Diese Rechtecksignale steuern einen ersten Kommutator 2, der an einem ersten Eingang 3 ein zweites analoges Eingagssi^nal y empfängt welches den Multiplikanden darstellt, und der an einem zweiten Eingang 4 dieses gleiche Signal mit umgekehrtem Vorzeichen, also —y empfängt, und, zwar über einen das Signalyempfangenden Inverters.

Der Ausgang 6 dieses ersten Kommutators steueri ein Filter 7, dessen Ausgang Sin bekannter Weise das gewünschte Signal liefert, welches gleicn dem Mittelwert des momentanen Skalarproduktes der be.den Signale*undy ist.

Die Schaltung nach Fig. 2 weist ebenfalls die vorstehend beschriebenen Elemente 1 bis 7 auf. Ferner ist eine Zeitbasis 8 mit relativ niedriger Frequenz, in der Größenordnung von 1 Hz, vorgesehen, deren einer Ausgang einen zweiten Kommutator 9 steuert derart, daß dieser während eines ersten Zeitraums die Verbindung zu einem ersten Eingang 10, an dem das erste Eingangssignal * anliegt, und in einem /weiten Zeitraum die Verbindung zu einem zweiten Eingang II. der mit einem Bezugssigrtai Ntril beaufschlagt ist. herstellt. Der Ausgang 12 des Kommutators 9 ist an dom Eingang des Modulators 1 angeschlossen. Ein·.- Speicher- und Subtraktionsätufe 13 empfängt das Auscangssignal des Filters 7 und wird von einem zue'ten Ausgang der Zeitbasis 8 gesteuert.

Diese Einrichtung arbeitet wie folgt:

Während des ersten Zeitraums der von der Zeilbasis C definiert wird, empfängt der Modulator I an seinem Eingang das erste Eingangssignal v. und das Filier 7 liefert wie zuvor erläutert den Mittelwert des Produktes VV, der mit den Kommutations- und Phasenfohlern behaftet ist. Aufgrund der Zeilkonstanie des Filiers \s ird dieser Wert mit ausreichender Genauigkeit ersi am Ende dieses ersten Zeitraums erhallen. In diesem Augenblick steuert der zweite Ausgang der Zeitbasis 8 clic Einspeicherung dieses Wertes in eines der Gedächtnisse der Speicher- und Subtrakiionssuile 15.

Während des zweiten Zeitraumes, der im wesenilichen von gleicher Länge wie der erste isi, empfangt der Modulator 1 an seinem Eingang das Referenzsignal Null. Er müßte somit ein cyciisches Verhältnis einsprechend t\ — h erzeugen. Wenn der erste Kommutator ideal fehlet frei arbeilen würde, würde er somit dem Filier ein Signal zuführen, dessen Mittelwert Null ist. In der Praxis empfängt das Filier aber während dieses zweiten Zeitraumes die konstanten, vom Modulator und vom Kommutator verursachten Fehler sowie die von dem Wert von /abhängenden Fehler und die von den Ableitungen herrührenden Phasenfehler.

Am Ende dieses zweiten Zeitraums steuert der Ausgang der Zeilbasis 8 die Einspeicherung ties gesamten vom Filter gelieferten Fehlersignals in ein anders Gedächtnis der Stufe 13.

Ferner enthält die Stufe 13 eine Subtraktionseinheit, die das mit dem Fehler behaftete Produkt .ve sowie den Gesamtfehler empfängt und an ihrem Ausgang das Produkt xy, das nicht mehr die genannten Fch'er enthält, liefert.

F i g. 3 zeigt eine Einzelheit einer ersten Ausführungsform der Stufe 13. Der Ausgang des Filters 7 ist mit dem Eingang 14 eines dritten Kommutators 15 verbunden. F.in erster Ausgang 16 dieses dritter. Kommutators 15 ist mit -lern Eingang eines ersten Speichers 17 verbunden. Ein zweiter Ausgang 18 dieses dritten Kommutators 15 ist mit dem Eingang eines zweiten Speichers 19 verbunden. Die Ausgänge dieser Speicher oder Gedächtnisse sind mit einer Subtraktionsstufe 20

verbunden. Der Steuereingang dieses dritten Kommutators 15 ist mit dem zweiten Ausgang der Zeitbasis 8 verbunden derart, daß der erste Ausgang 16 am Ende des ersten Zeitraums und der /weite Ausgang 18 am Ende des zweiten Zeitraums angeschaltet werden. Die Subtraktionsstufe 20 erzeugt somit kontinuierlich die Differenz zwischen dem Inhalt des ersten Speichers 17. der das fehlerbehaftete Produkt xy darstellt, und dem Inhalt des zweiten Speichers 19, der den Gesamtfehler darstellt, derart daß bei 5 das gewünschte fehlerfreie Signal geliefert wird.

F i g. 4 zeigt eine bevorzugte Realisierung der Ausführungsform der Stufe 13 gemäß Fig. 2. Der erste Speicher gesteht aus einem Kondensator 24, der einem Verstärker 25 zugeordnet ist, dessen negativer Eingang mit einer ersten Platte dieses Kondensators verbunden ist und dessen positiver Eingang mit dem Ausgang des Filters 7 verbunden ist. Die erste Platte des Kondensators ist ferner an den Ausgang 16 des dritten Kommutators 15 angeschlossen, dessen Eingang 14 einerseits mit dem Ausgang des Verstärkers 25 und andererseits mit dem Eingang 22 des vierten Kommutators 21 verbunden ist. Der zweite Speicher 19 besieht aus einem Kondensator 26, der einem Verstärker 27 zugeordnet ist. Die erste Platte des Kondensators ist einerseits mit dem positiven Eingang des Verstärkers 27 und andererseits mit dem Ausgang 23 des vierten Kommutators 21 verbunden. Der Ausgang S des Verstärkers 27 ist einerseits mit dem negativen Eingang dieses Verstärkers und andererseits mit einem ersten Ausgang 28 eines fünften Kommutators 29 verbunden. Der Eingang 30 dieses fünften Kommutators 29 ist mit der zweiten Platte des Kondensators 24 verbunden. Ein Bezugspunkt, der dem Filter und dem Ausgang 5 des Wattmeters gemeinsam ist. und der bei der Ausführungsform auf Erdpotential liegt und mit dem Masscnsymbol gekennzeichnet ist, ist mit der zweiten Platte des Kondensators 26 und mit einem zweiten Ausgang 31 des fünften Kommutators 29 verbunden.

Die Arbeitsweise diese Einrichtung wird durch die Kurvenzüge gemäß F i g. 5 erläutert.

Bei A ist der Zustand des zweiten Kommutators 9 von 1" i g. 2 dargestellt. Während eines ersten Zeitraums ist die Verbindung 12—10 hergestellt, und während eines zweiten Zeitraums ist die Verbindung 11 — 10 hergestellt. Das Diagramm des zweiten Kommutators, der sehr viel schneller arbeitet, ist nicht dargestellt.

Bei B ist das Ausgangssignal des Filters 7 dargestellt, welches während des ersten Zeitraums kontinuierlich vom Wert 0 auf den Wert xy+ c anwächst, wobei c den Gesamlfchler darstellt. Anschließend kehrt während ι des zweiten Zeitraums das Ausgangssignal des Filters auf den Wert Null oder in die Nähe dieses Wertes zurück.

Die Kurve Cstellt dar, daß der dritte Kommutator 15 die Verbindung 14— 16 am Ende des zweiten Zeitraums in herstellt, wenn das Ausgangssignal des Filters den Wert chat.

Gemäß D stellt der vierte Kommutator 21 die

Verbindung 22—23 am Ende des ersten Zeitraumes her.

wenn der Ausgang des Filters den Wert xy+ c hat.

ι·Ί Gemäß E stellt der fünfte Kommutator 29 die Verbindung 30—3i am Ende des zweiten Zeitraums her, während er die Verbindung 30—28 während der restlichen Zeit herstellt. Somit lädt sich am Ende des zweiten Zeitraums der Kondensator 24 auf einen Wert e auf, da der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 25 den Wert eins hat. Am Ende des folgenden ersten Zeitraums lädt sich der Kondensator 26 auf den Wert xy+c entsprechend dem Ausgangssignal des Filters auf, von welchem der Wert e des Kondensators 24 abgezogen

r> wird, und zwar aufgrund des Verstärkers 25, der dann einen höheren Verstärkungsfaktor hat.

Da die Gedächtnisse in jeder Periode auf den neuesten Stand gebracht werden, erscheint der gewünschte Wert somit ständig am Ausgang S und folgt ίο den Fluktuationen der Eingangssignale χ und y.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere können digitale Speicher verwendet und die Subtraktion durch einen vorwärts und rückwärts π arbeitenden Zähler durchgeführt werden.

Es ist auch möglich, einen zu dem Kommutator 9 analogen Kommutator am Eingang y anzuordnen derart, daß der Fehler des Inverters 5 korrigiert wird. Es ist jedoch in diesem Fall einfacher, einen eventuellen Phasenfehler oder eine Instabilität dieses Inverters direkt zu korrigieren.

Die erfindungsgemäßc Einrichtung kann in allen Geräten verwendet werden, bei denen es auf die analoge Produktbildung aus zwei Signalen ankommt. Er ist insbesondere anwendbar bei elektronischen Präzisions-Wattmetern, die nach dem Verfahren der Multiplikation durch Zeitdivision arbeiten.

2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Fehlerkorrektur an einer analogen Multiplikationseinrichtung, die nach dem Verfahren der Time-Division-Multiplikation arbeitet, mit einem Modulator, einem ersten Kommutator und einem Tiefpaßfilter, wobei der Modulator derart gesteuert wird, daß er ein Rechtecksignal von hoher Frequenz erzeugt, dessen zyklisches Verhältnis proportional zu einem ersten analogen, dem Eingang des Modulators zugeführten Eingangssignal ist, der durch dieses zyklische Verhältnis gesteuerte erste Kommutator an seinem ersten Eingang ein zweites analoges Eingangssignal und an seinem zweiten Eingang dasselbe zweite Eingangssignal mit umgekehrtem Vorzeichen empfängt, und das Filter an den Ausgang des ersten Kommutators angeschlossen ist und ein kontinuierliches Ausgangssägnal liefert, welches im wesentlichen gleich dem Mittelwert des momentanen Skalarproduktes der beiden Eingangssignal ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Impulse einer Zeitbasis (8) mit niedriger Frequenz gesteuerter zweiter, dem Modulator (1) vorgeschalteter Kommutator (9) vorgesehen ist, an dessen beiden Eingängen (10 bzw. U) das erste Eingangssignal (x) bzw. ein Nullpotential anliegen und der in Abhängigkeit von den Impulsen der Zeitbasis (8) den Eingang des Modulators (1) abwechselnd während eines ersten Zeitraums mit dem ersten Eingangssignal (x) und wahrend eines zweiten Zeitraums mit dem Nullpotential verbindet, und daß ein erster Speicher (17; 26) und ein zweiter Speicher (19; 24) vorgesehen sind, deren Eingänge durch eine dritte Kommutatoreinrichtung (15; 21, 15) abwechselnd während des ersten bzw. zweiten Zeitraums mit dem Ausgang des Filters (7) verbunden werden, und daß an die Speicher eine SubimktionscinKchtung (20; 29) zum Bilden der Differenz dei Speichciinhalte angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher Analoggedächlnisse sind, jeweils bestehend aus einem Kondensator (24, 26) und einem zugeordneten Verstärker (25,27).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die .Subtraktionseinrichtung aus einem weiteren Kommutator (29) besteht, der derart gesteuert ist, daß er die Spannungen der Kondensatoren (24,26) gegeneinanderschaltet.