DE3132874A1 - "stochastische effektivwertmessung" - Google Patents

"stochastische effektivwertmessung"

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DE3132874A1
DE3132874A1 DE19813132874 DE3132874A DE3132874A1 DE 3132874 A1 DE3132874 A1 DE 3132874A1 DE 19813132874 DE19813132874 DE 19813132874 DE 3132874 A DE3132874 A DE 3132874A DE 3132874 A1 DE3132874 A1 DE 3132874A1
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Rainer Dipl.-Ing. 6500 Mainz Bermbach
Wolfgang Dr.-Ing. 6101 Groß-Bieberau Hilberg
Manfred Dipl.-Ing. 6100 Darmstadt Lobjinski
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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
    • G01R19/02Measuring effective values, i.e. root-mean-square values

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Description

  • Stochastische Effektivwertmessung
  • Stochastische Effektivwertmessung Zur Messung des Effektivwertes einer Spannung muß die Wurzel ihres quadratischen Mittelwertes bestimmt werden. Die dazu erforderlichen Operationen werden bei herkömmlichen Meßgeräten in analoger Rechentechnik durchgeführt und können deshalb nur auf niederfrequente Spannungen angewendet werden. Der vorliegende Bericht beschreibt ein Gerät, das am Institut für Datentechnik der Technischen Hochschule Darmstadt entwickelt wurde, bei dem diese Operationen in einem Mikrocomputer auf stochastisch ausgewähite Abtastwerte der Spannung angewendet werden. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß bei ihm die Verarbeitungsgeschwindigkeit von der Signalfrequenz unabhängig ist. Die Grenzfrequenz wird damit nur durch die Abtastschaltung bestimmt und läßt sich mit einfachen Mitteln weit über den üblichen Bereich steigern.
  • Greift man aus einem kontinuierlichen Spannungsverlauf durch Abtastung einen Wert heraus, vergl. Bild 1, so ist die Wahrscheinlichkeit einen bestimmten Amplitudenwert zu erhalten, proportional zu der Häufigkeit, mit der dieser Wert im Signal auftritt. Bei sehr vielen Abtastungen erhält man deshalb eine Amplitudenverteilung der abgetasteten Werte, die der Häufigkeit der Amplitudenwerte im analogen Signal entspricht /1/.
  • Aufgrund dieser Beziehung lassen sich charakteristische Größen auch von Signalen sehr hoher Frequenz mit einfachen Mitteln bestimmen. In den Gleichungen 1 und 2 sind als Beispiel die Definitionen des Mittelwertes und des Effektivwertes angegeben.
  • Während mit konventionellen analogen Meßgeräten der Mittelwert eines Spannungsverlaufes gut mit einem Tiefpass gebildet werden kann, ist zur Bestimmung des Effektivwertes einer Spannung die Quadratur des Spannungsverlaufes notwendig. Dies führt insbesondere bei Signalen mit hoher Grenzfrequenz zu wachsenden Fehlern.
  • Viel einfacher und sicherer ist es, eine Abtastmethode zu verwenden. Dann brauchen nur noch-die Abtastwerte quadriert zu werden. Wichtig ist dabei vor allem die Wahl der Abtastzeitpunkte. Wählt man sie in ganz regellosen Abständen, so kann man nicht nur die stochastischen Funktionen messen, sondern alle nur denkbaren Funktionen. Selbstverständlich auch die periodischen Funktionen, bei denen sich sonst mit einer äquidistanten Abtastung immer die Gefahr einer Fehlmessung ergibt, wenn nämlich ein Anteil der Signal spannung immer in der gleichen Phasenlage abgetastet wird.
  • Um dieses Prinzip zu erläutern, betrachten wir zuerst den einfacheren Fall der Bildung des Mittelwertes von Abtastwerten. In Bild 2 ist eine Dreieckfunktion über der Zeit aufgetragen. Ihre Frequenz fd kann verändert werden.
  • In Bild 3 sind die Mittelwerte von Abtastungen dieses Dreiecksignals unter verschiedenen Abtastbedingungen über seiner Frequenzen dargestellt. Der Abtaster wurde dabei von einem spannungsgesteuerten Oszillator getriggert, dessen Eingangsspannung in K»FYE ons; ãr turvei, zu tsurve;DtvonZeOngrw Rauschsignal zunehmender Amplitude überlagert wurde. Deutlich ist in Kurve A zu erkennen, daß bei bestimmten ganzzahligen Verhältnissen der Frequenz des Dreiecksignals und der Abtastfrequenz nicht der Mittelwert der Dreieckspannling gemessen wird, sondern ein beliebiger Amplitudenwert zwischen Maximal- und Mi nimal spannung. In den weiteren Kurven erkennt man, daß durch die Zunahme der Rauschspannung, die zu entsprechend ungleichmäßig langen Abtastintervallen führt, die deutlich ausgeprägten Spitzen der Kurve A ausgeglichen werden und in einen kontinuierlichen Frequenzgang übergehen, der durch langere Mitteluny noch weiter geglättet werden kann (Kurve E).
  • Nach diesem Prinzip wird in dem entwickelten Gerät auch der Effektivwert von beliebigen Signalspannungen bestimmt. Hierzu werden wieder durch statistische Abtastung Meßwerte gewonnen, die einem Mikrocomputer zugeführt werden, der dann alle weiteren Operationen bis zur Anzeige des Ergebnisses durchführt.
  • In Bild 4 ist eine Obersicht des realisierten Meßgerätes dargestellt. Die Signalspannung gelangt zuerst in die Abtast- und Halteschaltung der Meßeinheit. Dort wird sie von zwei Abtastern aufgenommen, von denen abwechselnd jeweils einer, durch einen Stochastikgenerator getriggert, zufällig ausgewählte Werte des Eingangssignals aufnimmt, während der andere den letzten aufgenommenen Wert für die hier gewählte Wandlungszeit von 243 psec an den Eingang des folgenden A/D-Wandlers anlegt. Hierdurch wird einerseits die statistische Unabhängigkeit der Abtastintervalle gewahrt, andererseits kann der Mikrocomputer ohne Wartezeit jeweils nach einer Wandlung beginnen, einen neuen Wert zu verarbeiten.
  • Der Wandler arbeitet nach dem Charge Balancing-Prinzip /2/. Bei der hier beschriebenen Schaltung wird die Spannung Um (aus dem Bereich von 0 bis 5 Volt) am Eingang des Integrators durch eine Folge von 5 Volt-Impulsen einer Dauer von 2 µsec kompensiert. Durch Zählung der Impulse, die zur Kompensation nötig sind, läßt sich die Eingangsspannung bestimmen.
  • Mit einfachen Mitteln wurde auch der Stochastikgenerator- realisiert, siehe Bild -5, der mit einer mittleren Frequenz von 4 kHz kurze Impulse abgibt, das bedeutet pro Abtastzeitraum ein bis zwei Impulse, mit denen die Abtaster betrieben werden. Die Inverter 4, 5 und 6 bilden einen stromgesteuerten Oszillator. Verwendet wurde der Baustein CD 4049, der mit 5 Volt betrieben wird.
  • Die Frequenz dieses Oszillators wird von der Rauschspannung der Zenerdiode nach einer Verstärkung über die Inverter 1 bis 3 statistisch verändert, Im einzelnen arbeitet der Stochastikgenerator wie folgt: Oberschreitet die Spannung an C11 die Schwellspannung des mit den Invertern 4 und 5 aufgebauten Schmitt-Triggers, so schaltet Inverter 6 nach Masse und entlädt dadurch über D4 den Kondensator. Die dynamische Mitkopplung über C13 bestimmt zusammen mit dem Widerstand R14 die Dauer des negativen Ausgangsimpulses.Der positive Impuls an Inverter 5 wird dem Spannungsverdoppler aus D2, D3, C12 und C5 zugeführt. Man erreicht dadurch einerseits eine ausreichend hohe Spannung zum Betrieb einer 8 Volt-Zenerdiode als Rauschquelle. Andererseits ist die Versorgungsspannung der Rauschquelle auf diese Weise von der gemeinsamen 5 Volt-Versorgung entkoppelt, sodaß die entstehende Rauschspannung von allen anderen Vorgängen unabhängig bleibt.
  • Bei der Realisierung der Meßeinheit wurde das Ziel verfolgt nur einfache handelsübliche Bauelemente einzusetzen und deren Zahl gering zu halten. Bilc e zeigt, wie die Abtast- und Halteschaltung, der A/D-Wandler, der Stochastikgenerator und die benötigte Steuerlogik auf einer 5 x 10 cm großen Leiterplatte aufgebaut sind. Eine weitere Karte dieser Größe trägt die 4-stellige CO-Anzeige zur Ausgabe des MeSeruebnisses, das rnit einen F8 Ein-Chip rocomputer berechnet wird. Dieser Cuna Jter ist auf einer dritten Fritte der gleichen Größe untergebracht.~tiese drei attnWben binden das vollständige Effektivwertmeßgerät, das mit einem Steckernetzteil betrieben wird.
  • Die Mikrocomputereinheit ist mit der Meßeinheit durch drei Signalleitungen verbunden. Vom Mikrocoputer aus wird die Steuerlogik betrieben, die die. Abtaster umschaltet. Zum Betrieb des Wandlers liefert der Computer außerdem den 500 kHz Takt, mit dem das D-Flipflop getaktet wird. Der interne 8 Bit-Zähler des F8 zählt die 5 Volt-Pulse, durch die die Eingangsspannung U des Wa.ndlers kompensiert wird.
  • Der Zählerstand, der dem Eingangswert entspricht, wird mit Hilfe einer Tabelle quadriert; 1250 Meßwerte werden in einem 3 Byte Speicherwort aufsummiert. Die Wurzel wird durch zwei Newton-lterationen /3/ bestimmt, nachdem der Startwert aus der höchsten Stelle des Summationsergebnisses mit Hilfe einer weiteren Tabelle gewonnen wurde. Die Wurzel wird in eine Dezimalzahl aus dem Bereich 0 - 2500 gewandelt und danach je nach Schalterstellung direkt zur Anzeige gebracht, oder, um das Springen der Anzeige zu unterdrücken, vor der Ausgabe mit den vorherigen Meßwerten mit dem Gewicht 0,125 gleitend gemittelt.
  • So ergibt sich eine Bestimmung des Effektivwertes mit drei Ausgaben pro Sekunde, die sich auf 10 000 Einzelmessungen stützt und damit eine hohe Grundgenauigkeit bei tiefen Frequenzen aufweist. Die einzelnen Spannungswerte werden zwar nur mit 1% Genauigkeit bestimmt, und die Quadraturtabelle hat wegen ihrer Nichtlinearität eine leichte Vergrößerung des Fehlers zur Folge, doch wegen der großen Zahl der Einzelmessungen bleibt der Gesamtfehler in der Größenordnung von 0,1 % /4/.
  • Werden in der Meßeinheit Operationsverstärker mit niedriger Offsetspannung verwendet, so ist dort der Fehler im wesentlichen durch die Geschwindigkeit des Eingangsverstärkers bestimnit. Alle weiteren Verstärker müssen lediglich die Abtastwerte verarbeiten, die für jeweils 243 ijsec konstant sind.
  • Entscheidenden Einfluß auf die obere Grenzfrequenz haben die Analogschalter, die das Eingangssignal stochastisch abtasten. Für das erstellte Gerät wird ein einfacher CMOS-Baustein CD 4016 verwendet, bei dem der Bahnwiderstand der Schalter zusammen mit der Halte-Kapazität einen Tiefpass erster Ordnung für das Signal darstellt. Da sich bei Erhöhung der Versorgungsspannung dieses Bausteins der Bahnwiderstand verringert, konnte bereits durch diese Maßnahme die Grenzfrequenz weiter erhöht werden.
  • Bild 7 zeigt den Frequenzgang des Meßgerätes im Vergleich mit einem Echt-Effektivwert-Meßgerät einer marktführenden Herstellerfirma. Dieses Meßgerät hat seine Spezifikationen voll erfüllt.
  • Die durchgeführte Untersuchung hat gezeigt, daß die Grenzfrequenz bei der Messung des Effektivwertes nach dem beschriebenen Prinzip nur durch den Eingangsverstärker und die Abtast- und Halteschaltung bestimmt wird. Verwendet man hierfür sehr schnelle Schaltelemente, so ist die restliche Schaltung unverändert bis in den Bereich sehr hoher Frequenzen, z.B. bis in den GHz-Bereich, brauchbar.
  • Literatur /1/ R. Massen Stochastische Rechentechnik Carl Hanser Verlag, München 1977 /2/ M. Lobjinski, D. Sinn, j. Arenz Spannungen und Frequenzen mit geringem Aufwand gemessen Elektronik Heft 19, 1980, S. 98 - 100 /3/ P. Henrici Elemente der numerischen Analysis Band 1 Hochschultaschenbücher Band 551 Bibliographisches Institut, Mannheim 3972 /4/ N.C. Barford Kleine Einführung in die statistische Analyse von Meßergebnissen Akademische Verlagsanstalt, Frankfurt 1970 L eereite

Claims (1)

  1. Paten tansprüche Anspruch Schaltungsanordnung zur Messung des Effektivwertes beliebiger Spannungen und Stromverläufe, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierlichen Signalverläufe in unregelmäßig langen, vorzugsweise durch einen Stochastikgenerator vorgegebenen Zeitabständen abgetastet werden, daß die analogen Abtastwerte in einem vorzugsweise nach dem "Charge balancing"-Verfahren arbeitenden Wandler in numerische digitale Werte umgewandelt werden, und daß die Umrechnung dieser Werte in Effektivwerte schließc in einer üblichen Digitalschaltung, vorzugsweise einem Mikroprozessor erfolgt.
    Anspruch 2 Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Meßeinheit (hardware) und der Digitaleinheit (software) nicht mehr als 3 Signalleitungen zur Synchronisation und zur Meßwertübernahme benötigt werden.
    Anspruch 3 Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen ] und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung des Meßbetriebes von dem Effektivwert zum Mittelwert, zum Spitzenwert, zu ersten, zweiten und höheren Momenten oder zu einer anderer charakteristischen Größe nur ein entsprechendes einfaches Steuersignal in den Digitalteil eingegeben wird.
    Anspruch 4 Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnt, daß zum Umschalten auf die Betriebsart "Amplitudenverteilung" ebenfalls nur ein einfaches Steuersignal dem Digitalteil zugeführt wird, womit dann die Verteilungswerte vorzugsweise sequentiell ausgegeben werden.
    Anspruch 5 Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß d. Abtastwerte im Digitalteil bezüglich ihrer Phasenlage zur Grundfrequenz sortiert werden und daß damit der Verlauf einer entsprechenden Rechengröfse übt cii eit ermittelt wird.
    Anspruch 6 Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis5,dadurch gekennzeichnet, daß eine Funkuhr mit dem Effektivwertmesser derart kombiniert wird, daR der Digitalteil, der Anzeigeteil sowie Quarze und Netzteile (Batterie) gemeinsame Einheiten sind.
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