DE2704076C3

DE2704076C3 - Einrichtung zur Fehlerkorrektur an einer analogen Multiplikationseinrichtung

Info

Publication number: DE2704076C3
Application number: DE2704076A
Authority: DE
Inventors: Daniel Saint Germain En Laye Arnoux (Frankreich)
Original assignee: Chauvin Arnoux Sa Paris Ste
Current assignee: Chauvin Arnoux Sa Paris Ste
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1977-02-01
Publication date: 1981-02-12
Also published as: CH609792A5; JPS52103937A; DE2704076A1; DE2704076B2; FR2341164A1; US4118787A; SE7701489L; FR2341164B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Fehlerkor- « rektur 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 du; cn 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 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 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 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 vielfältig die Fehler bei elektronischen Multiplikatoren, die nach dem Verfahren, der Time-Divisioti-Multiplikation arbeiten, jedoch sein können, zeigt der Aufsatz von M.Tomota in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. IM-17, Nr.4. Dezember 1968, auf den Seiten 245-251 (insbeondere 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 Umschaltverzögerungen 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 Nullpunktsfehler der Verstärker wurde bereits hingewiesen. Diese können wohl durch Verwendung von Begrenzungsverstärkern reduziert werden, die jedoch im Vergleich zu Operationsverstärkern in IC-Bauweise wesentlich aufwendiger sind.

Derartige Multiplikationseinrichtungen finden sich vorzugsweise in elektronischen Wattmetern. Falls ein Wattmeter gleichstrommäßig ständig ohne Zunahme der Fehler arbeiten kann, ist es möglich, das Gerät gleichstrommäßig zu eichen, was einen wesentlichen Vorteil mit sich bringt, da Präzisions-Gleichstromquellcn leichter erhältlich sind und es nicht mehr erforderlich ist, eventuelle Nullpunktsfehler oder Verzerrungen der Wellenformen zu berücksichtigen.

Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, die Fehler einer nach dem Time-Division-Multiplikationsverfahren arbeitenden Multiplikationseinrichtung zu korrigieren, so daß diese über eine sehr lange Meßzeit hinweg dauernd mit hoher Präzision arbeitet, und zwar 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 gesteuerter zweiter, dem Modulator vorgeschalteter Kommutator vorgesehen ist, an dessen beiden Eingängen das erste Eingangssignal bzw. ein Nullpotential anliegen und der in Abhängigkeit 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 äaß an die Speicher eine Subtraktionseinrichtung zum Bilden der Differenz der Speicherinhalte 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 10-⁵ verarbeiten kann, und zwar kontinuierlich über eine sehr große Meßzeit hinweg.

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

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

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

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Multiplikators, der nach dem Verfahren derTime-Division-MuI-tiplikation arbeitet;

Fig.2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Multiplikators mit einer Einrichtung zur Fehlerkorrektür;

F i g. 3 Einzelheiten einer ersten Ausführungsform der Speicherungs- und Subtraktionseinrichtung nach Fig. 2;

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

Fig.5 Kurvendiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise.

Die Multiplikationseinrichtung gemäß F i g. 1 besitzt einen Modulator 1, der ein erstes analoges Eingangssignal χ empfängt, welches den Multiplikator darstellt. Der Modulator 1 erzeugt Rechtecksignale, die eine konstante Amplitude und eine entsprechend dem Momentanwert des ersten Eingangssignals χ veränderliche Dauer haben.

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

vorzugsweise i| + /2 = konstant und
/, -

= kx. Dieses Verhältnis

Ί +'2

Ί - ι,.

Ί +'j

wird das cvclische Verhältnis θχ

genannt. Es ist Null, wenn x~0, und kann positive oder negative Werte annehmen je nach dem Vorzeichen von x.
Diese Rechtecksignale steuern einen ersten Kommutator 2, der an einem ersten Eingang 3 ein zweites analoges Eingagssignal 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 Signal ^empfangenden Inverters.

Der Ausgang 6 dieses ersten Kommutators steuert ein Filter 7, dessen Ausgang S in bekannter Weise das gewünschte Signal liefert, welches gleich dem Mittelwert des momentanen Skalarproduktes der beiden Signale χ und y 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 χ anliegt, und in einem zweiten Zeitraum die Verbindung zu einem »v^eiten Eingang 11, der mit einem Bezugssigna! Nuii beaufschlagt ist, herstellt Der Ausgang 12 des Kommutators 9 ist an dem Eingang des Modulators 1 angeschlossen. Eine Speicher- und Subtraktionsstufe 13 empfängt das Ausgangssignal fies Filters 7 und wird von einem zweiten Ausgang der Zeitbasis 8 gesteuert

Diese Einrichtung arbeitet wie folgt:
Während des ersten Zeitraums, der von der Zeitbasis 8 definiert wird, empfängt der Modulator 1 an seinem

jo Eingang das erste Eingangssignal x, und das Filter 7 liefert wie zuvor erläutert den Mittelwert des Produktes xy, der mit den Kommutations- und Phasenfehlern behaftet ist Aufgrund der Zeitkonstante des Filters wird dieser Wert mit ausreichender Genauigkeit erst am Ende dieses ersten Zeitraums erhalten. In diesem Augenblick steuert der zweite Ausgang der Zeitbasis 8 die Einspeicherung dieses Wertes in eines der Gedächtnisse der Speicher- und Subtraktionsstuft 13.

Während des zweiten Zeitraumes, der im wesentlichen von gleicher Länge wie der erste ist, empfängt der Modulator 1 an seinem Eingang das Referenzsignal Null. Er müßte somit ein cyclisches Verhältnis entsprechend t\ = ti erzeugen. Wenn der erste Kommutator ideal fehlerfrei arbeiten würde, würde er somit dem Filter ein Signal zuführen, dessen Mittelwert Null ist. In der Praxis empfängt das Filter aber während dieses zweiten Zeitraumes die konstanten, vom Modulator und vom Kommutator verursachten Fehler sowie die von dem Wert von y abhängenden Fehler und die von den Ableitungen herrührenden Phasenfehler.

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

Ferner enthält 4'v Stufe 13 eine Subtraktionseinheit, die das mit dem Fehler behaftete Produkt xy sowie den Gesamtfehler empfängt und an ihrem Ausgang das Produkt xy, das nicht mehr die genannten Fehler enthält, liefert.

F ί g. 3 zeigt eine Einzelheit einer ersten Ausführungsform der Stufe 13. Der Ausgang des Filters 7 ist mit dem Eingang 14 eines dritten Kommutators IS verbunden. Ein erster Ausgang 16 dieses dritten Kommutators 15 ist mit dem Eingang eines ersten Speichers 17 verbunden.

Ein zweiter Ausgang /8 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 drillen Kommutators 15 ist mit dem zweiten Ausgang der Zeilbasis 8 verbunden derart, daß der erste Ausgang 16 am Ende des ersten Zeitraums und der zweite Ausgang 18 am Ende des zweiten Zeitraums angeschaltel 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 S das gewünschte fehlerfreie in Signal geliefert wird.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Realisierung der Ausführungsform der Stufe 13 gemäß F i g. 2. Der erste Speicher gesteht aus einem Kondensator 24, der einem Verstärker 25 zugeordnet ist, dessen negativer Eingang π mit einer ersten Platte dieses Kondensators verbunden ist und dessen positiver Eingang mit dem Ausgang des Filters 7 verbunden ist. Die erste Platte des Kondensa-Ιλπ tct ft*rnt*r an A&n Aiiccrortrr IA rjpt riritlort Bei ö ist das Ausgangssignal des Filters 7 dargestellt, welches während des ersten Zeitraums kontinuierlich vom Wert 0 auf den Wert xy+e anwächst, wobei eden Gesamtfehler darstellt. Anschließend kehrt während des zweiten Zeitraums das Ausgangssignal des Filters auf den Wert Null oder in die Nähe dieses Wertes zurück.

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

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+ e hai.

Gemäß E stell' der fünfte Kommutator 29 die Verbindung 30—31 am Ende des zweiten Zeitraums her, während er die Verbindung 30—28 während der restlichen Zeit herstellt. Somit lädt sich am Ende des iwmlnn 7oitr

^nnHnncalnr OA auf oinfin

Kommutators 15 angeschlossen, dessen Eingang 14 >n einerseits mit dem Ausgang des Verstärkers 25 und andererseits mit dem Eingang 22 des vierten Kommutators 21 verbunden ist. Der zweite Speicher 19 besteht ■ aus einem Kondensator 26, der einem Verstärker 27 zugeordnet ist. Die erste Platte des Kondensators ist r> 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 S des Wattmeters gemeinsam ist, und der bei der Ausfüh- π rungsform auf Erdpotential liegt und mit dem Massens>mbol 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 Kur\ cnzügc gemäß F i g. 5 erläutert.

Rci A ist der Zustand des zweiten Kommutators 9 von Fig. 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.

auf. da der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 25 den Wert eins hat. Am Ende des folgenden ersten Zeilraums lädt sich der Kondensator 26 auf den Wert xy+e entsprechend dem Ausgangssignal des Filters auf, von welchem der Wert e des Kondensators 24 abgezogen 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 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 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 erfindungsgemäße Einrichtung kann in allen Geräten verwendet werden, Dei denen es aui cue analoge Produktbildung aus zwei Signalen ankommt. Er ist insbesondere anwendbar bei elektronischen Präzisions-Wattmetern, die nach dem Verfahren der Multiplikation durch Zeitdivision arbeiten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

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 Ausgangssignal liefert, welches im wesentlichen gleich dem Mittelwert des momentanen Skalarproduktes der beiden Eingangssignale ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Impulse einer Zeitbasis (8) mit niedriger Frequenz gesteuerter zweiter, dem Modulator (1) vorgeschalteter Kornmutator (9) vorgesehen ist, an dessen beiden Eingängen (10 bzw. 11) 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 jo ersten Zeitraums mit dem ersten Eingangssignal (x) und während eines ^.weiten Zeitraums mit dem Nullpotential verbindet, und daß ein erster Speicher (17; 26) und ein zweiter Spcicher(19; 24) vorgesehen sind, deren Eingänge durch eine dritte Kommutator- J5 einrichtung (15; 21, 15) abwechselnd während des ersten bzw. zweiten Zeitraums mit dem Ausgang des Riters (7) verbunden werden, und daß an die Speicher eine Subtraktionseinrichtung (20; 29) zum Bilden der Differenz der Speicherinhalte angeschlossen ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher Analoggedächtnisse 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.