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Verfahren und Anordnung zum Messen des Effektivwerts
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einer Wechselsoannurnn Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen
des Effektirrwerts einer Wechselspannung laut Oberbegritf des Hauptanspruches sowie
eine Anordnung zum Ausführen dieses Verfahrens.
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Es ist bekannt, zum Messen von Kennwerten einer Wechselspannung, beispielsweise
des Effektivwertes, des Spitzenwertes oder des Minimalwertes die Amplitude der Wechselspannung
in zeitlich aufeinanderfolgenden Abtastpunkten eines kurzen Messabschnittes zu messen,
diese analogen Spannungswerte mittels eines Analog-Digital-Wandlers in entsprechende
Digitalwerte umzuwandeln und aus diesen Digitalwerten dann mittels eines Rechners
den gewünschten Kennwert, beispielsweise den Effektivwert oder den Spitzenwert,
zu errechnen (Digital-Oszillographen verschiedener Hersteller beispielsweise nach
Elektroniker, Nr. 10/1984, Seite 75). Die von einem Taktgenerator gelieferten Abtastimpulse
besitzen dabei konstanten Abstand, da bei diesen bekannten Oszillographen aus den
ermittelnten Digitalwerten anschliessend nicht nur eine rechnerische Auswertung
sondern eine Rekonstruktion der ursprünglichen Analogspannung durchgeführt wird,
wozu das ursprüngliche Abtastraster bekannt sein muss.
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Das bekannte Verfahren zur Effektivwertmessung mit Abtastimpulsen
von konstantem Abstand führt zu Fehlmessungen, wenn die zu messende Wechselspannung
periodisch ist, vor allem dann, wenn zwischen den Abtastimpulsen und der Periodizität
der Wechselspannung Synchronismus besteht, denn dann wird die Wechselspannung immer
an der gleichen Stelle ihres Kur-çenverlaufes abgetastet. Mit dem bekannten Verfahren
könnte aus diesem Grunde beispielsweise nicht der Effektivwert einer Störspannung
gemessen werden, die periodisch in aufeinanderfolgenden Zeilen eines Fernsehsignals
auftritt, beispielsweise jeweils in der zweiundzwanzigsten Zeile jedes Vollbildes,
also im Bereich der dort ueblichen Prüfzeilen, denn die dort auftretende Störspannung
enthält mit einer Periodizität von 25 Hz bzw. einem Vielfachen davon eine Reihe
von Störspannungsspitzen, die aus der 40 ms-Periode des Fernsehsignals resultieren..
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren der einganges erwähnten
Art so weiterzubilden und zu verbessern, dass solche periodisch sich wiederholende
Komponenten der zu messenden Wechselspannung keine Verfälschung des Messergebnisses
erzeugen. Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen,
mit welchem auf einfache Weise der Effketivwert der Störspannung in den zeitlich
aufeinanderfolgenden Zeilen eines Fernsehwignals gemessen werden kann.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff
des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäss der Erfindung wird nicht mehr mit konstantem Abstand der Abtastimpulse
abgetastet sondern der Abstand soll innerhalb des vorgegebenen Messabschnittes mindestens
teilweise
statistisch d.h. zufällig oder pseudozufällig schwanken.
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Damit ist sichergestellt, dass mindestens ein Teil der Abtastpunkte
nicht periodisch jeweils an der gleichen Stelle der zu messenden Wechselspannung
zu liegen kommt. Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn die einzelnen Abtastpunkte nicht eng nebeneinander liegen sondern die einzelnen
Abtastimpulse relativ grossen Abstand voneinander besitzen, wie dies beispielsweise
dann der Fall ist, wenn ein einfacher und billiger relativ langsam arbeitender Ar,alog-Digital-Wandler
benutzt werden soll.
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In diesem Fall wird durch die erfind>ngsgemasse Massnahme dafür
gesorgt, dass auch bei periodischen Signalen mit Si-Sicherheit je nach Gesamtmesssauer
F^glichst die gesamte zu nessende Wechselsparnung an unterschiedlichen Stellen ihres
Kurvenverlaufes abgetastet wird.
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Im Idealfall ist es zweckmässig, den Abstand sämtlicher aufeinanderfolgender
Abtastpunkte statistisch schwanken zu lassen. In der Praxis kann dies beispielsweise
auf einfache Wei se dadurch gelöst werden, dass für die Erzeugung der Abtastimpulse
ein bekannter Taktgenerator benutzt wird, dessen Taktimpulse zufällig oder pseudozufällig
schwankenden Abstand voneinander besitzen (DE-OS 28 15 885). Um auch diesen Taktgenerator
so einfach und billig wie möglich zu realisieren, kann es jedoch in der Praxis auch
ausreichend sein, den Abstand beispielsweise nur jeden dritten oder vierten Abtastimpulses
statistisch schwanken zu lassen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht nur zum Messen des Effektivwerts
einer Wechselspannung geeignet sondern, wie eingangs schon erwähnt, in gleicher
Weise auch zum Messen des Spitzenwertes oder des Minimalwertes einer Wechselspannung,
gegebenenfalls auch zum Messen des Mittelwertes, also über all dort wo eine Wechselspannung
mit periodischen Romponen-
ten mögichst lückenlos abgetastet werden
soll und aus diesen Abtastwerten dann nach Digitalisierung Rechenoperationen für
bestimmte Kennwerte der Spannung durchgeführt werden.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere zum Messen des Effektiwertes
bzw. des Maximal- bzw. Minimalwertes einer Störspannung geeignet, die in aufeinanderfolgenden
Zeilen eines Videosignals auftritt. Für eine solche Störspannungsmessung wäre der
schaltungstechnische Aufwand, wie er bei den eingangs erwähnten Digital-Oszillographen
mit enger aufeinanderfolgender Abtastung vorgesehen ist, zu gross.
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Eine solche schnelle Abtastung beispielsweise nur einer einzigen Periode
eines Wechselsparnungssignals erfordert einen sehr schnell arbeitenden Analog/Digital-Wandler.
Zur Störspannungs,essung bei einem Videosignal kann von der Erkenntnis ausgegangen
werden, dass die Störspannung in den aufeinanderfolgenden Vollbildern jeweils in
der ausgewählten Zeile periodisch mit 25 Hz wiederkehrt, dass also die Messung auf
mehrere Zeilen verteilt werden kann. In diesem Fall genügt es, die Störspannung
in den aufeinanderfolgenden Zeilen (Messabschnitten) mit Abtastimpulsen relativ
grossen Abstandes, beispielsweise mit einem Abstand von 4 ßs, abzutasten, solange
die Gewähr dafür gegeben ist, dass in den darauffolgenden nächsten Zeilen (Messabschnitten)
die Abtastung nicht wieder an der gleichen Stelle des Störspannungsverlaufes erfolgt
sondern im Sinne der Erfindung statistisch schwankend an beliebigen anderen Stellen.
Die Abtastung mit relativ weit voneinander entfernt liegenden Abrastimpulsen ermöglicht
die Verwendung eines sehr einfachen und billigen Analog/Digital-Wandlers, so dass
eine Anordnung zur Störspannungsmessung bei Videosignalen sowohl bezüglich des verwendeten
Taktgenerators für die Abtastung als auch bezüglich des Analog/Digital-Wandlers
sehr einfach und billig
aufgebaut werden kann. Die Verwendung eines
einfachen relativ langsamen Analog/Digital-Wandlers setzt voraus, dass auch bei
den statistisch schwankenden Abschnitten immer ein gewisser Mindestabstand eingehalten
wird. Dies kann durch entsprechende Dimensionierung des Taktgenerators erreicht
werden. Wenn durch den Taktgenerator Lücken in der Abtastung entstehen, ist es gemäss
einer Weiterbildung der Erfindung nach Unteranspruch 2 vorteilhaft, bei der Messung
in mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Abschnitten, wie dies bei der Störspannungsmessung
am Videosignal der Fall ist, das Raster der statistisch schwankenden Abtastpunkte
von Messabschnitt zu Messabschnitt um die Hälfte des mittleren Abstandes der Abtastimpulse
zu verschieben, so dass in dem nächsten Messabschnitt jeweils die Abtastung an den
Lücken des vorhergehenden Messabschnittes erfolgt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig.1 zeigt das Prinzipschaltbild eines einfachen Taktgenerators zur
Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens für die Messung der Störspannung bei
einem Videosignal mit zugehörigen Spannungsverläufen Fig.2 zeigt die Rasterversetzung
der Abtastimpulse in den aufeinanderfolgenden Vollbildern eines Fernsehsignals Im
nachfolgenden Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemässe Verfahren im Zusammenhang
mit der Effektivwertmessung einer Störspannung beschrieben werden, die jeweils mit
einer Periode von 40 ßs in den aufeinanderfolgenden Vollbildern eines Fernsehsignals
auftritt, und zwar jeweils in der zweiundzwanzigsten leeren Zeile im Prüfzeilengebiet,
wie dies Fig.2 schematisch zeigt. Das Fernsehsignal besitzt eine
Bandbreite
von 5 MHz, die Abtastung je Zeile soll in einem vorbestimmten Messabschnitt von
40 us durchgeführt werden.
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Wenn bei einer solchen Messung der Fehler durch den Spaltfrequenzgang
kleiner als 0,5% sein soll, müsste thecretisch der Abstand der Abtastpunkte 0,1
ßs betragen. Dies könnte nur mit grossem schaltungstechnischen Aufwand insbesondere
bezüglich des verwendeten Analog/Digital-Wandlers und auch des verwendeten Rechner
realisiert werden. Der aufeanderfolgende Abstand der Abtastimpulse wird jedoch nicht
so klein gewählt sondern relativ gross mit 4 as, so dass insgesamt zehn Abtastimpulse
innerhalb eines Messabschnittes von 40 ßs liegen. Wenn dann beispielsweise in 64
aufeinanderfolgen denVollbildern it jeweils zehn Abtastimpulsen abgetastet wird
und damit ins3mt 640 Digitalwerte erreicht werden, reicht die damit erzielte Messgenauigkeit
für die Störabstandmessung bei einem Fernsehsignal aus. Wichtig ist hierbei nur,
cass in den aufeinanderfolgenden Messabschnitten, also in den aufeinanderfolgenden
Vollbildern, mit Sicherheit das Raster der Abtastlmpulse gegenüber dem Raster des
vorhergehenden Messabschnittes verschoben ist, so dass die Störspannung mit Sicherheit
jeweils an unterschiedlichen Stellen in den aufeinanderfolgenden Messabschnitten
abgetastet wird.
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Dazu wird gemäss der Erfindung ein Taktgenerator für die Abtastung
benutzt, dessen Abtastimpulse einen statistisch schwankenden Abstand besitzen und
deren Abstand niemals kleiner als ein vorgegebener Mindestabstand ist, da ja ein
einfacher relativ langsam arbeitender Analog/Digital-Wandler verwendet werden soll.
Hierzu ist beispielsweise ein Taktgenerator geeignet, der mit einem Rauschgenerator
frequenz-bzw. phasenmoduliert ist und damit Impulse erzeugt, die einen zufälligen
oder stochastisch schwankenden Abstand voneinander besitzen. Ein pseudostachistisch
schwankender Abstand der Taktimpulse kann beispielsweise durch Frequenz-oder Phasenmodulation
mit dem Ausgangssignal eines rückgekoppelten
Schieberegisters
erzeugt werden. Zur Einhaltung des geforderten Mindestabstandes kann die verwendete
statistisch schwankende Modulationsfrequenz mit einem entsprechenden Gleichspannungsanteil
unterlagert sein.
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Für die Störspannungsmessung an einem Videosignal wäre ein solcher
Taktgenerator noch relativ aufwendig. Im Sinne des Ausführungsbeispiels nach Fig.1
wird für diesen speziellen Zweck daher ein Taktgenerator benutzt, der mit relativ
einfachen schalturgstechnischen Mitteln eine Takt,rpulsfolge erzeugt, bei der innerhalb
des aewählten Messabschnittes mindestens einige Impulse statistisch schwankenden
Abstand voneinander besitzen während zumindest einige der restlichen Impulse gegenseitigen
konstanten Abstand besitzen. Dieser Taktgenerator nach Fig.1 umfasst einen Multivibrator
6, der innerhalb des Messabschnittes von 40 ßs jeweils zehn Abtastimpulse in einem
Impulsabstand von 4 ss erzeugt (Impulsverlauf 1). In einer Impulsformerstufe 7 werden
daraus Sägezahnimpulse 2 erzeugt, die zusammen mit einer Dreieck spannung 3 aus
einem Dreieckspannungsgenerator 8 einem Spannungskomparator 9 zugeführt werden.
Das Verhältnis zwischen der Dreieck spannung 3 und der Sägezahnspannung 2 bestimmt
den gewünschten Mindestabstand. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Freuqenz
von 250 KHz der Impulse 1 ist die Frequenz des Dreieckgenerators 8 mit etwas weniger
als ein Zehntel, nämlich mit 24 KHz gewählt. Je höher diese Frequenz des Dreieckgenerators
8 gewählt wird, umso kleiner wird der gewünschte Mindestabstand. Im Komparator 9
werden die Impulse 4 erzeugt, aus denen dann über ein Monoflop 10 die eigentlichen
Abtastimpulse 5 erzeugt werden. Aus den Spannungsverläufen 2 und 3 nach Fig.1 ergibt
sich, dass der Abstand der erzeugten Abtastimpulse 5 jeweils bestimmt ist durch
den Schnittpunkt der abfallenden Flanken des Sägezahns 2 und der kontinuierlichen
ansteigenden bzw. abfallenden Dreieck-
spannung 3. In dem geraden
ansteigenden bzw. abfallenden Teil der Dreieckspannung 3 ergibt sich also ein konstanter
Abstand der Abtastpunkte,nur in Bereichen x, in welchen die Dreieckspannung ihren
Verlauf umgekehrt, ist der erzeugte Abstand der Abtastimpulse statistisch schwankend,
also unbestimmt. Für den Zweck der Störspannungsmessung bei einem Videosignal genügt
es, wenn in den erzeugten Abtastimpulsen 5 nur einige x einen statistisch schwankenden
Abstand besitzen, die dazwischenliegenden Impulse unter sich jedoch gleichen Abstand
besitzen. Wenn auch der Abstand dieser dazwischenliegenden Impulse unterschiedlich
sein soll, könnte anstelle des Dreieckgenerators 8 auch ein Sinusgenerator oder
ein Generator mit beliebiger Hüllkurvenform benutzt werden.
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Fig.2 zeigt, dass bei dem gewählten Beispiel der beiden Spannungsverläufe
2 und 3 ein Mindestabstand y von etwa 3,2 ßs entsteht und damit der Abstand zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Abtastimpulsen niemals kleiner als y wird, so dass ein
sehr billiger und langsam arbeitender Analog/Digital-Wandler verwendet werden kann.
Fig.2 zeigt ferner, dass jeder Abtastimpuls innerhalb eines begrenzten Schwankungsbereiches
liegen kann und zwischen benachbarten Schwankungsbereichen Lücken vorhanden sein
können, die aus schaltungstechnischen Gründen entstehen können. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel eines Taktgenerators muss die Amplitude der Dreieckspannung
3 beispielsweise etwas kleiner gewählt werden als die der Sägezahnspannung 2 und
dadurch entstehen im Messab schnitt jeweils Lücken, in welchen systembedingt keine
Abtastimpulse entstehen können. In diesem Fall hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
das gesamte Abtastraster im Sinne der Fig.2 von Vollbild zu Vollbild jeweils um
den halben mittleren Abstand a der aufeinanderfolgenden Abtastimpulse zu verschieben.
Der mittlere Abstand der schwankenden Abtastpunkte ist bestimmt durch die Länge
des Messabschnittes (40 Fs) geteilt durch die Anzahl der Abtastpunkte (10), im gewählt
ten Ausführungsbeispiel ist also der mittlere Abstand 4 Fs.
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Beim ersten, dritten, fünften ... Vollbild beginnt also das Abtastraster
beispielsweise 18as nach einem Synchronimpuls
11, beim zweiten,
vierten, sechsten ... Vollbild dagegen bereits nach 16 ws, also um 2 ßs vorher,
so dass das Abtastimpulsraster 52 jeweils genau über den Lücken des vorhergehenden
Abtastimpulsrasters 51 zu liegen kommt und so in aufeinanderfolgenden Vollbildern
mit Sicherheit alle Bereiche der Störspannung innerhalb des Messbereiches von 40
us überstrichen wird. Durch diese zusätzliche Verschiebund des Rasters von Vollbild
zu Vollbild in Kombination mit dem statistisch schwankenden Abstand der Impulse
jedes einzelnen Rasters werden also mit Sicherheit alle Oberwellen von 12,5 Hz erfasst.