DE2837244A1

DE2837244A1 - Schaltkreis fuer das sofortige messen der zeitveraenderlichen amplitude einer sinuswelle

Info

Publication number: DE2837244A1
Application number: DE19782837244
Authority: DE
Inventors: Norio Akamatsu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1978-08-25
Publication date: 1979-03-01
Also published as: DK372678A; JPS5436768A; NL7808632A; GB2005845A

Description

PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197ί) . DIPL.-ING. W.EITLE · DR. RER. NAT. K. HO FFMANN · Dl PL-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-8000 MONCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

3.1. .114 p/wa

1. NORIO AKAMATSU, TOKUSHIMA-SHI, TOKUSHIMA-KEN/JAPAN

2. YOSUHIRO TOYOSU, KOMATSUSHIfIA-SHI, TOKUSHIMA-KEN/JAPAN

Schaltkreis für das sofortige Messen der zeitveränderlichen Amplitude einer Sinuswelle

Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf einen Schaltkreis für diesofortige Messung der Amplitude einer Quasi-Sinuswelle.

Das meist übliche Messverfahren zur Messung der Amplitude einer Sinuswelle bestand in der Gleichrichtung der Sinuswelle mittels einer Diode und in der Aufladung eines Kondensators mit derselben. Die Amplitude der Sinuswelle wurde durch Feststellung der Elektrodenspannungen des Kondensators gemessen. Bei Verwendung dieses Messverfahrens ist der Schaltkreis relativ einfach, hat jedoch den Nachteil, bei einer Zeitverzögerung

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hinsichtlich des Feststeilens der Amplitude, so daß die Veränderung der Amplitude nicht momentan festgestellt werden kann. Um diesen Nachteil zu eliminieren wurde bereits ein Verfahren entwickelt, entsprechend dem die Spitzenspannung der Sinuswelle abgetastet wurde. Solch ein Verfahren umfaßt beispielsweise das Integrieren einer Sinuswelle zur Erzeugung eines Signals mit einer 90 Phasenverschiebung von der Sinuswelle, wodurch ein Impuls zum Zeitpunkt des Nulldurchganges des Signals erzeugt wird und so die ursprüngliche Sinusspannung abgetastet wird. Mit diesem Schaltkreis kann die Amplitude der Sinuswelle am Scheitel der Sinusspannung gemessen werden, so daß die Zeitverzögerung hinsichtlich des Feststeilens der Amplitude größtenteils eingeschränkt werden kann. Dieser Schaltkreis ist jedoch nachteilig, da die Amplitude der Sinuswelle nur an den Scheitelpunkten abgegriffen wird. Der Schaltkreis zum Feststellen der Amplitude wird notwendigerweise außerordentlich komplex und außerdem ist es notwendig, die Abtastzeit zu verkürzen, da die Frequenz höher wird, so daß dieser Schaltkreis beispielsweise nicht bei hohen Frequenzen verwendet werden kann (MHz). Weiterhin liegt zwischen den Abtastvorgängen einer Sinuswelle mit einer Ultraniedrigfrequenz ein langer Zeitraum. Der Nachteil dieses Verfahrens, entsprechend dem die Amplitude am Scheitel der Sinuswelle gemessen wird, besteht darin_f daß nach dem Meßverfahren die Amplitude der Sinuswelle nicht am momentanen Wert zwischen den Scheitelpunkten der Sinuswelle gemessen werden kann.

Entgegen dem Gleichstrom, ist die Sinuswelle nicht konstant, sondern verändert sich mit einem bestimmten Zeitablauf innerhalb einem begrenzten Bereich. Daher ist es unmöglich, momentan und sofort den Unterschied zwischen einer Quasi-Sinuswelle und einer reinen Sinuswelle zu jedem Zeitpunkt zu messen. Beispielsweise wird im Fall des Messens der Verzerrung bei einer Quasi-Sinuswelle der Grundbestandteil der Quasi-Sinuswelle durch

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Filter eliminiert und der Restteil gemessen, so daß die innerhalb einer Periode auftretende Übergangsverzerrung nicht messbar ist. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Differenz zwischen dem momentanen Wert der Quasi-Sinuswelle und der korrespondierenden reinen Sinuswelle nicht sofort und momentan bestimmt werden kann.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, auf der Basis

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der Formel sin φ + cos ob= i (konstant) die Amplitude oder die Differenz einer Sinuswelle gegenüber dem momentanen Wert der Amplitude festzustellen und zwar nicht nur an den Scheitelpunkten, sondern ebenso zwischen den einzelnen Scheitelpunkten .

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die beiden 9O° phasenverschobenen Sinuswellen unabhängig voneinander einer Rechteckumwandlung unterzogen werden und daß die Rechteckwellen summiert werden.

Durch "die Erfindung wird ein Verfahren und ein Schaltkreis geschaffen, mit dem unmittelbar und kontinuierlich die Amplitude und die Abweichung von der reinen Sinuswelle festgestellt werden kann. Dies gilt präzise für eine Sinuswelle im Bereich zwischen der Ultra-Niederfrequenz und der Hochfrequenz, obwohl eine einfache Konstruktion verwendet wird. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ein Schaltkreis^geschaffen wird, der ihre Amplitude und die Abweichung von einer reinen Sinuswelle feststellen kann, da ein Gleichstrom sich nur gegenüber der Amplitude und der Abweichung von der reinen Sinuswelle verändert. Daher können die nachfolgenden Vorgänge, nachdem die Amplitude festgestellt wurde, extrem vereinfacht werden.

für die sofortige und momentane Messung einer Quasi-Sinuswelle

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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels gemäss der Erfindung zur Feststellung der Amplitude einer Sinuswelle als unmittelbarer, sofortiger Wert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 umfasst die Schaltung zum Messen der Amplitude einer Sinuswelle einen Integrator 1 zum Verschieben der 90° Phase der Sinuswelle und zwei Rechteck-Umformer 2 und 3, deren Eingänge mit dem Eingang bzw. dem Ausgang des Integrators 1 verbunden sind, um so den Eingang und Ausgang des Integrators 1 unabhängig rechteckig umzuformen. Die Ausgänge der beiden Rechteck-Umformer 2 und 3 sind mit dem Eingang eines Summierverstärkers 4 verbunden. Die Funktion dieser Schaltung bzw. dieses Schaltkreises ist derart, dass, wenn sich am Punkt A ein Eingangssignal A sin GOt befindet, am Punkt B durch Integration des Signals A sin cot ein Signal -j-j cos oJt erhalten wird. Daher wird durch Bestimmung der Schaltkreisparameter des Integrators 1 mit der Bedingungen — = 1 am Punkt B eine Sinuswelle erhalten, die dieselbe Amplitude hat wie die Sinuswelle am Punkt A, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 90° relativ zur Sinuswelle am Punkt A. Da diese Sinuswellen durch die Rechteck-Umformer 2 und 3 rechteckförmig umgeformt sind, hat die Ausgangswelle der Rechteck-Umformer 2 und 3 am Punkt C die

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Form A sin ujt bzw. am Punkt D die Form A cos OJt. Die Summie-

rung der beiden Rechtecksignale erfolgt in A am Ausgang, und

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zwar auf der Basis der Formel A sin tot + A cos OO t = A

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(sin ojfc + cos cot) = A . Dieser Ausgang besteht nur aus A

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und enthält nicht die Zeitveränderliche t. Konsequenterweise entspricht dieser Ausgang der Amplitude A der Sinuswelle A sin 6Jt am Punkt A.

Dies bedeutet das Feststellen der Amplitude A einer Sinuswelle vom sofortigen Wert der Sinuswelle.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist der Schaltkreis zum Verschieben der Phase der Sinuswelle nicht auf die Integration entsprechend Fig. 1 beschränkt, sondern kann bei all den Schaltkreisen Anwendung finden, mit denen eine 90 Phasenverschiebung vorgenommen werden kann.

Weiterhin wird die 9O° Phasenverschiebung dadurch erreicht, dass eine Sinuswelle mit O Phase der ursprünglichen Sinuswelle voreilt und dass die andere Sinuswelle mit (90 - O)-Grad Phase der ursprünglichen Quasi-Sinuswelle nacheilt. Typische Beispiele sind eine 45 Phasenvoreilung und eine 45° Phasennacheilung.

Weiterhin beträgt der Phasenverschiebungswinkel vorzugsweise exakt 90° ohne jede Differenz. Nach praktischen Erwägungen ist jedoch eine gewisse Abweichung akzeptabel, so dass der Winkel ungefähr 90° beträgt. Für den Fall dass die Sinuswelle und eine um 90° verschobene Sinuswelle direkt vom Schaltungsanschluss erhalten werden kann, wie in dem doppelt integrierten Oszillator gemäss Fig. 2, wird eine Phasenverschiebung für eine Sinuswelle nicht unbedingt benötigt. Beim Oszillator-Schaltkreis entsprechend Fig. 2 oszilliert ein Signals sin t am Punkt A und am Punkt B wird ein Signal cos t erhalten. Folglich werden die beiden Signale durch die Rechteck-Umformer unabhängig voneinander in Rechtecksignale umgewandelt und dann miteinander summiert.

Das Summenergebnis entspricht -A V. Das Ausgangssignal des

Summierverstärkers 4 und die am Punkt B erhaltene um 90°

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verschobene Sinuswelle werden in einen Multiplikator 5 eingeleitet. Der Ausgang des Multiplikators 5 wird mit dem Eingang am Punkt A summiert. In diesem Oszillator-Schaltkreis wird ein Detektor-Schaltkreis als Rückkopplungsschleife eines Oszillators verwendet. Mit der Oszillation kann so die Amplitude des Eingangs am Punkt A auf den vorbeschriebenen Wert eingestellt

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werden, und zwar durch den Eingang A V des Summierverstärkers.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Amplitude einer Sinuswelle am Scheitel derselben vom momentanen Wert zu jeder Zeit der Sinuswelle festgestellt werden. Folglich wird entspre-

2 chend der Darstellung in Fig. 1, wenn ein Gleichstrom -A mit dem Ausgang der Rechteck-Umformer 2 und 3 summiert wird, der O-Ausgang nur erzielt, wenn die Sinuswelle am Punkt A = A sin CO t ist. Wenn die Sinuswelle am Punkt A (A + oO )sin OJt beträgt,

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wird ein Ausgang von (A + c*j ) - A = 2Aob + oO erhalten.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann wie zuvor erwähnt, die Amplitude der Sinuswelle vom momentanen Wert der Sinuswelle festgestellt werden, indem die Sinuswelle und eine um 90° verschobene Sinuswelle, die relativ zur vorgenannten Sinuswelle unabhängig um 90° verschoben ist, in ein Rechtecksignal umgeformt und dann beide summiert werden.

Wenn beispielsweise ein Signal A sin CJt vorliegt, so beträgt ein anderes Signal, welches um 90° phasenverschoben ist, A sin( GJt+90°), d.h., unter Verwendung eines mathematischen Ausdrucks, wenn ein Signal A sin GJt vorliegt, beträgt ein anderes Signal, welches 90° phasenverschoben ist, A sin (CJt + 90°) = +A cos OJt. (das Doppelzeichen in der gleichen Weise'gelesen). Die beiden Signale werden unabhängig voneinander in Rechtecksignale umge-

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formt und dann summiert, woraus sich A (sin OJ t+cos OJt) ergibt,

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und zwar durch die Formel sin cot + cos GJt = 1, A (sin to t

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+ cos OJt) = A . Da A das Quadrat des Koeffizienten A ist, welcher die Amplitude des ursprünglichen Signals A sin GJt dar-

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stellt; drückt A die Amplitude des ursprünglichen Signals

A sin 6Jt aus. Da A nicht nur am Scheitel der Sinuswelle erfasst wird, sondern kontinuierlich, kann der Scheitel, nämlich die Amplitude der Sinuswelle, an jedem Punkt gemessen werden, ausgenommen am Scheitel des momentanen Werts an den besagten Punkten.

Mit anderen Pforten kann entsprechend der Erfindung nur durch Messen des momentanen bzw. sofortigen Wertes einer Sinuswelle zu einem bestimmten Zeitpunkt, die sich in Abhängigkeit von der Zeit kontinuierlich innerhalb eines Betrages von 0 bis zu einem bestimmten Wert verändert, zu einem bestimmten Zeitpunkt die Amplitude der vorbeilaufenden Sinuswelle gemessen werden. Das Feststellen des momentanen Wertes kann entweder am Scheitel oder an irgendeinem anderen Punkt der Sinuswelle erfolgen, so dass die Amplitude zu jeder Zeit zwischen den Scheiteln der Sinuswelle messbar ist.

Konsequenterweise ist sie unmittelbar feststellbar, bevor der Scheitelpunkt erscheint, wenn der momentane Wert sich zum hohen oder niedrigen Wert verändert.

Ein Schaltkreis zum Messen der Amplitude gemäss der Erfindung kann den Unterschied zwischen einer Sinuswelle und einer korrespondierenden reinen Sinuswelle dadurch erhalten, dass die Amplitude der ursprünglichen Sinuswelle gemessen wird. Der Grund dafür ist der folgende. Beispielsweise in Fig. 1 gelangt eine reine Sinuswelle A sin OJt zum Punkt A, so dass die Bedingung A (sin GJt + cos GJt) = A erfüllt ist. Der Ausgang entspricht

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einem zu jeder Zeit genau konstanten Wert. Wenn aber das zum Punkt A geleitete Signal eine verzerrte Wellenform mit Ober- und Unterschwingungen hat, so nimmt der durch Summieren erhaltene Ausgang nicht einen konstanten Wert ein, sondern enthält sich mit der Zeit verändernde Komponenten. Konsequenterweise ist es möglich, den Unterschied zwischen einem zum Punkt A geleiteten Signal und einer reinen Sinuswelle festzustellen. Daher kann ein Schaltkreis entsprechend der vorliegenden Erfindung als Rückkopplungsschleife für eine Annäherung einer Quasi-Sinuswelle an eine reine Sinuswelle verwendet werden, und ein Schaltkreis zur Umwandlung einer Sinuswelle mit Gleichstrom. So kann ein Gleichstrommesser zum Messen der Amplitude der Sinuswelle verwendet werden.

In Fig. 1 ist ein Potentiometer 6, welches mit der Eingangsseite der Rechteck-Umwandler 2 und 3 verbunden ist, dazu bestimmt, zu verstärken oder zu dämpfen, um so die Eingangsamplituden der beiden Rechteck-Umformer 2 und 3 zu vereinheitlichen, und kann daher weggelassen werden, wenn die Eingangsamplituden der beiden Rechteck-Umformer so gleichgeschaltet sirid,dass sie bei der praktischen Verwendung keine Störungen hervorrufen.

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Claims

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1. NORIO AKAMATSU, TOKUSHIMA-SHI, TOKUSHIMA-KEN/JAPAN

2. YASUHIRO TOYOSU₇ KOMATSUSHIMA-SHI, TOKUSHIMA-KEN/JAPAN

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum sofortigen bzw. momentanen Messen der zeitveränderlichen Amplitude, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sinuswellen, so wie sie von der ursprünglichen Sinuswelle erhalten werden, unabhängig voneinander in Rechteckform umgewandelt und relativ zueinander um 90 phasenverschoben werden, wonach die Rechteck- · wellen summiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diebeiden Sinuswellen mit 90° Phasenverschiebung von den gemessenen Schaltkreisen abgezogen und unabhängig voneinander in Rechteckform umgewandelt und die entstandenen Rechteckwellen summiert werden.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sinuswelle mit O Phasenvoreilung gegenüber der ursprünglichen Sinuswelle und die andere Sinuswelle mit einer (90 - O)-Grad Phasennacheilung gegenüber der ursprünglichen Quasi-Sinuswelle unabhängig voneinander in eine Rechteckform umgewandelt werden, wonach die Rechteckwellen summiert werden.

4. Schaltkreis zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Integrator (1) oder eine elektrischer Differenziator vorgesehen ist, mit denen die Sinuswellen mit 90° Phasenverschiebung erzeugt werden, wobei der Ausgang des Integrators (1) mit dem Eingang eines ersten Rechteckumformers (2) und der Eingang des Integrators (1) mit dem Eingang eines zweiten Rechteckumformers (3) verbunden ist, wobei die Ausgänge der beiden Rechteckumformer (2, 3) mit einem Summierverstärker (4) verbunden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingang des Integrators (1) und dem Eingang des zweiten Rechteckumformers (3) ein Potentiometer (6) zwischengeschaltet ist.

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