DE3617936A1 - Anordnung zur digitalen spannungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur digitalen Spannungsmessung mit einem Spannungs/Frequenz-Wandler, an den die zu messende Spannung angelegt wird und der ein Ausgangssignal liefert, dessen Frequenz in dem zu erfassenden Meßbereich nach der Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers von der angelegten Spannung abhängt, und mit einer Auswerte- und Steuerschaltung, die das Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz-Wandlers empfängt und aus der Frequenz dieses Ausgangssignals den Meßwert der zu messenden Spannung ermittelt und in ein digitales Signal umwandelt.

In der modernen Meßtechnik werden häufig Anordnungen zur hochauflösenden und linearen Messung von Spannungen benötigt, die eine sehr geringe Stromaufnahme besitzen. Diesem Zweck dienen digitale Spannungsmeßanordnungen der zuvor angegebenen Art, die analoge Spannungswerte über eine Spannungs-Frequenz-Wandlung in binäre Zahlenwerte mit einer der geforderten Auflösung entsprechenden Bitzahl umwandeln. Die Wandlungszeiten solcher digitaler Spannungsmeßanordnungen sollen einen Bereich von mehreren 10 ms nicht überschreiten.

Ein Problem bei solchen digitalen Spannungsmeßanordnungen besteht in der Nichtlinearität der Spannungs-Frequenz- Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers. Diese Nichtlinearität hat zur Folge, daß die Frequenz des vom Spannungs/ Frequenz-Wandler gelieferten Ausgangssignals nicht in einem linearen Zusammenhang mit der zu messenden Spannung steht. Darüber hinaus ist die nichtlineare Spannungs/Frequenz- Kennlinie zeitlich nicht konstant, sondern in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen, insbesondere der Temperatur, sowie von Alterungserscheinungen veränderlich. Dies gilt besonders für spannungsgesteuerte Oszillatoren, auch VCO ("voltage controlled oszillator") genannt, die bevorzugt als Spannungs/Frequenz-Wandler verwendet werden. Für eine hochauflösende lineare Spannungsmessung ist daher eine Linearisierung erforderlich. Spannungs/Frequenz-Wandler höchster Linearität werden üblicherweise realisiert, indem man mittels eines Regelkreises, der einen Frequenz/Spannungs- Wandler und einen Regler enthält, einen weniger linearen spannungsgesteuerten Oszillator regelt. Der Nachteil solcher Schaltungen liegt entweder in der hohen Stromaufnahme (bei schnellen Wandlern) oder in der langen Einschwingzeit.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer digitalen Spannungsmeßanordnung, die zur hochauflösenden linearen Messung von Spannungen bei gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch und relativ hoher Geschwindigkeit geeignet ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Frequenz/Spannungs-Wandler vorgesehen ist, an den durch die Auswerte- und Steuerschaltung nacheinander Signale mit unterschiedlichen, über den Meßbereich verteilten Kalibrationsfrequenzen für jeweils ein Zeitintervall angelegt werden, das wenigstens gleich der Einschwingzeit des Frequenz/Spannungs-Wandlers ist, daß eine Umschaltanordnung die nach dem Ende der Einschwingzeit am Ausgang des Frequenz/Spannungs-Wandlers für jede Kalibrationsfrequenz erhaltene Kalibrationsspannung für ein im Verhältnis zur Einschwingzeit kurzes Kalibrationsintervall an den Eingang des Spannungs/Frequenz-Wandlers anlegt, und daß die Frequenz des während des Kalibrationszeitintervalls erhaltenen Ausgangssignals des Spannungs/Frequenz-Wandlers in der Auswerte- und Steuerschaltung zur Kalibration der Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers verwendet wird.

Bei der digitalen Spannungsmeßanordnung nach der Erfindung wird der Frequenz/Spannungs-Wandler nicht zur linearisierenden Regelung des Spannungs/Frequenz-Wandlers, sondern zu dessen Kalibration verwendet. Durch die Kalibration erhält die Auswerte- und Steuerschaltung Informationen über die Nichtlinearität der Spannungs-Frequenz-Kennlinie, die sie zur Linearisierung des digitalen Spannungsmeßwertes verwenden kann. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß der zur Kalibration verwendete Frequenz/Spannungs- Wandler nur für im Verhältnis zur Einschwingzeit sehr kurze Zeitintervalle mit dem zur Spannungsmessung verwendeten Spannungs/Frequenz-Wandler verbunden zu sein braucht. Der Frequenz/Spannungs-Wandler kann daher mit verhältnismäßig großer Einschwingzeit und dementsprechend geringem Stromverbrauch ausgebildet werden, ohne daß die Spannungsmessung durch die große Einschwingzeit beeinträchtigt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer digitalen Spannungsmeßanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 die nichtlineare Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers von Fig. 1 zur Erläuterung der Kalibration,

Fig. 3 Zeitdiagramme von Signalen, die in dem Frequenz/ Spannungs-Wandler von Fig. 1 vorkommen, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Zeitabläufe bei der Spannungsmessung und Kalibration.

Die in Fig. 1 dargestellte digitale Spannungsmeßanordnung enthält einen Spannungs/Frequenz-Wandler 1, eine Umschaltanordnung 2, die wahlweise eine von mehreren Spannungen an den Eingang des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 anlegt, und eine Auswerte- und Steuerschaltung 3, die das Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 an einem Eingang 3 a empfängt.

Die Umschaltanordnung 2 enthält bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Schalter 4, 5, 6, 7, die durch Steuersignale gesteuert werden, die von der Auswerte- und Steuerschaltung 3 an Ausgängen 3 b, 3 c, 3 d, 3 e abgegeben werden. Die Schalter 4, 5, 6, 7 sind symbolisch als mechanische Kontakte dargestellt; in Wirklichkeit handelt es sich dabei um schnelle elektronische Schalter, beispielsweise Feldeffekttransistoren. Wenn der Schalter 4 geschlossen ist, verbindet er eine Spannungsklemme 8, an der die zu messende Spannung U _x liegt, mit dem Eingang des Spannungs/Frequenz- Wandlers 1. Der Schalter 5 verbindet den Eingang des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 mit einer Spannungsklemme 9, an der eine zur Normierung verwendete Referenzspannung U _R liegt. Beim Schließen des Schalters 6 wird die Spannung Null (Massepotential) zur Offsetmessung an den Eingang des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 angelegt. Die Funktion des Schalters 7 wird später erläutert.

Der Spannungs/Frequenz-Wandler 1 ist in herkömmlicher Weise so ausgebildet, daß er am Ausgang ein elektrisches Signal abgibt, dessen Frequenz f _A von der an seinen Eingang angelegten Spannung U _E abhängt. Vorzugsweise ist der Spannungs/ Frequenz-Wandler 1 ein spannungsgesteuerter Oszillator, auch unter der Abkürzung VCO ("voltage controlled oszillator") bekannt. Wenn also der Schalter 4 geschlossen ist, hat das Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 eine Frequenz f _x , die ein eindeutiges Maß für den Wert der zu messenden Spannung U _x ist. Bei geschlossenem Schalter 5 nimmt das Ausgangssignal eine Frequenz f _R an, die den Wert der Referenzspannung U _R angibt. Wenn der Schalter 6 geschlossen ist, liegt am Eingang des Spannungs /Frequenz-Wandlers 1 der Spannungswert Null an, doch kann es sein, daß das Ausgangssignal eine Frequenz f₀ hat, die von Null verschieden ist; diese Erscheinung wird als "Offset" bezeichnet.

Die Auswerte- und Steuerschaltung 3 ermittelt aus den an ihrem Eingang 3 a erscheinenden Frequenzen digital den Wert der zu messenden Spannung U _x . Vorzugsweise ist die Auswerte- und Steuerschaltung 3 ein geeignet programmierter Mikrocomputer.

Die Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Spannungs/Frequenz- Wandlers 1 ist gewöhnlich nichtlinear. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Spannungs/Frequenz-Wandler 1 ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ist. Die Ausgangsfrequenz f _A des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 ist also der Eingangsspannung U _E nicht proportional, sondern sie hängt nach der dem Spannungs/Frequenz-Wandler 1 eigenen nichtlinearen Spannungs-Frequenz-Kennlinie von der Eingangsspannung U _E ab. Fig. 2 zeigt eine solche nichtlineare Spannungs-Frequenz-Kennlinie eines Spannungs/Frequenz- Wandlers. Sie stellt die Ausgangsfrequenz f _A als Funktion der Eingangsspannung U _E dar. Wenn also die Ausgangsfrequenz bei geschlossenem Schalter 4 beispielsweise den Wert f _x1 hat, läßt sich aus der Kennlinie entnehmen, daß die zu messende Spannung den Wert U _x1 hat.

Die Auswerte- und Steuerschaltung 3 muß bei der Bestimmung der zu messenden Spannung U _x die Nichtlinearität der Spannungs- Frequenz-Kennlinie berücksichtigen, und zwar um so genauer, je höher die Auflösung der Messung, also die Bitzahl des digitalen Meßwerts, sein soll. Dies könnte dadurch geschehen, daß die Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Spannungs/ Frequenz-Wandlers 1 in digitalisierter Form in der Auswerte- und Steuerschaltung 3 gespeichert wird. Diese Maßnahme wäre aus mehreren Gründen nicht befriedigend. Einerseits sind die Spannungs-Frequenz-Kennlinien baugleicher spannungsgesteuerter Oszillatoren infolge von Fertigungsstreuungen nicht gleich. Die Spannungs-Frequenz-Kennlinie müßte also für jeden individuellen spannungsgesteuerten Oszillator getrennt ermittelt und abgespeichert werden, und dieser Vorgang müßte bei einem eventuellen Austausch des spannungsgesteuerten Oszillators wiederholt werden. Vor allem aber ist die Spannungs-Frequenz-Kennlinie des spannungsgesteuerten Oszillators zeitlich nicht konstant, sondern sie ändert sich durch Alterungserscheinungen sowie in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen, insbesondere von der Temperatur. Die Spannungsmeßanordnung von Fig. 1 ist deshalb so ausgebildet, daß die Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 fortlaufend kalibriert wird, so daß die Auswerte- und Steuerschaltung 3 ständig Informationen über den aktuellen Kennlinienverlauf erhält und bei der Ermittlung der Spannungswerte aus der Ausgangsfrequenz f _A des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 berücksichtigen kann.

Für diese Kalibrierung enthält die Spannungsmeßanordnung von Fig. 1 einen streng linearen Frequenz/Spannungs-Wandler 10, dessen Eingang 10 a an einen weiteren Ausgang 3 f der Auswerte- und Steuerschaltung 3 angeschlossen ist, und dessen Ausgang 10 b durch den Schalter 7 der Umschaltanordnung 2 wahlweise mit dem Eingang des Spannungs/Frequenz- Wandlers 1 verbunden werden kann. Die Auswerte- und Steuerschaltung 3 an legt den Eingang des Frequenz/Spannungs- Wandlers 10 zeitlich nacheinander verschiedene Kalibrationsfrequenzen F _K an, und der Frequenz/Spannungs-Wandler 10 gibt für jede Kalibrationsfrequenz F _K nach einer gewissen Einschwingzeit T _E am Ausgang eine Kalibrationsspannung U _K ab, die der Kalibrationsfrequenz F _K mit einem vorgegebenen Proportionalitätsfaktor streng proportional ist. Wenn der Schalter 7 geschlossen ist, liegt die jeweilige Kalibrationsspannung U _K am Eingang des Spannungs/Frequenz- Wandlers 1 an, und das Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz- Wandlers 1 nimmt eine Frequenz f _K an, die nach der nichtlinearen Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 von der Kalibrationsspannung U _K abhängt. Die dem Eingang der Auswerte- und Steuerschaltung 3 zugeführte Frequenz f _K ist daher von der am Ausgang 3 f abgegebenen Frequenz F _K verschieden, und aus der Differenz dieser beiden Frequenzen kann die Auswerte- und Steuerschaltung 3 die Abweichung der Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 vom linearen Verlauf am Kalibrationspunkt erkennen. Für jede weitere Kalibrationsfrequenz F _K wird der Vorgang an einem anderen Kalibrationspunkt der Kennlinie wiederholt, so daß der nichtlineare Verlauf der Kennlinie mit der gewünschten Genauigkeit erfaßt werden kann.

Die Kennlinienkalibration soll anhand des Diagramms von Fig. 2 näher erläutert werden. Als Beispiel ist angenommen, daß die Auswerte- und Steuerschaltung 3 nacheinander fünf Kalibrationsfrequenzen F _K1 bis F _K5 abgibt, für welche der Frequenz/Spannungs-Wandler 10 fünf Kalibrationsspannungen U _K1 bis U _K5 gemäß folgender Zuordnung abgibt:

F _K1 = 250 Hz:U _K1 = 0,125 V F _K2 = 500 Hz:U _K2 = 0,25 V F _K3 = 1 kHz:U _K3 = 0,5 V F _K4 = 2 kHz:U _K4 = 1 V F _K5 = 4 kHz:U _K5 = 2 V

Die fünf Kalibrationsspannungen U _K1 bis U _K5 sind im Diagramm von Fig. 2 an der Abszisse aufgetragen, jeweils über den dazu proportionalen Kalibrationsfrequenzen F _K1 bis F _K5. An der Ordinate sind die Frequenzwerte F _K1 bis F _K5 angegeben, welche die Ausgangsfrequenz f _A des Spannungs/Frequenz- Wandlers 1 für jede der Kalibrationsfrequenzen F _K1 bis F _K5 annimmt, wenn der Schalter 7 nach Ablauf der Einschwingzeit des Frequenz/Spannungs-Wandlers 10 geschlossen ist.

Wenn bei Messung der Spannung U _x (Schalter 4 geschlossen) die Frequenz f _x gerade einem der Kalibrationspunkte entspricht, kann die Auswerte- und Steuerschaltung 3 den exakten Spannungswert bestimmen, da dieser dann genau der zu diesem Kalibrationspunkt gehörenden Kalibrationsspannung U _K entspricht. Wenn die Frequenz f _x zwischen zwei Kalibrationspunkten liegt, wie in Fig. 2 für die Frequenz f _x1 dargestellt ist, kann die Auswerte- und Steuerschaltung 3 den Spannungswert durch Interpolation zwischen zwei Kalibrationspunkten berechnen. Beispielsweise ergibt sich bei linearer Interpolation der linearisierte Spannungswert

für

F _K(n+1) < f _x ≧ F _K(n)
n = 1, 2, . . . 5

Diese lineare Interpolation bedeutet, daß die Kennlinie zwischen zwei Kalibrationspunkten näherungsweise durch eine Gerade ersetzt wird. Das Diagramm läßt erkennen, daß U _x keine absolute Genauigkeit besitzt, sondern um einen Interpolationsfehler Δ U vom wirklichen Spannungswert abweicht. Der Fehler kann durch eine entsprechend große Anzahl von Kalibrationspunkten oder auch durch eine die Krümmung der Kennlinie näherungsweise berücksichtigende nichtlineare Interpolation beliebig klein gehalten werden.

Eine wesentliche Voraussetzung für die richtige Kalibration ist eine möglichst exakte Linearität des Frequenz/Spannungs- Wandlers 10. Die Linearität des Frequenz/Spannungs-Wandlers 10 ist bestimmend für die Linearität der ganzen Meßanordnung. In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform des Frequenz/ Spannungs-Wandlers 10 dargestellt, die eine sehr gute Linearität aufweist.

Bei dieser Ausführungsform enthält der Frequenz/Spannungs-Wandler 10 eine monostabile Kippschaltung 11, deren Auslöseeingang das Signal vom Ausgang 3 f der Auswerte- und Steuerschaltung 3 empfängt. In diesem Fall ist das von der Auswerte- und Steuerschaltung 3 am Ausgang 3 f abgegebene Signal vorzugsweise eine periodische Folge kurzer Impulse, deren Folgefrequenz die jeweilige Kalibrationsfrequenz F _K1 ... F _K5 ist. Die monostabile Kippschaltung 11 wird durch jeden Impuls der Impulsfolge in den Arbeitszustand gebracht, und sie kippt nach ihrer Haltezeit T _H in den Ruhezustand zurück. Die Haltezeit T _H der monostabilen Kippschaltung 11 hat bei allen Kalibrationsfrequenzen F _K den gleichen Wert und muß kleiner sein als die Folgeperiode der Auslöseimpulse bei der höchsten Kalibrationsfrequenz F _K .

Die monostabile Kippschaltung 11 hat zwei zueinander komplementäre Ausgänge Q und , an denen zwei gegenphasige Rechtecksignale erscheinen, wie in den Diagrammen von Fig. 3 dargestellt ist. Das Diagramm A zeigt die vom Ausgang 3 f der Auswerte- und Steuerschaltung 3 abgegebenen Auslöseimpulse bei einer bestimmten Kalibrationsfrequenz F _Ka . Die Folgeperiode der Impulsfolge hat daher die Periodendauer P _Ka . Das Diagramm B zeigt das entsprechende Rechtecksignal am Ausgang Q der monostabilen Kippschaltung 11. Dieses Rechtecksignal hat in jeder Periode P _Ka während der Haltezeit T _H der monostabilen Kippschaltung 11 den Signalwert 1 und während des Restes der Periode P _Ka den Signalwert 0. Das Diagramm C zeigt das dazu komplementäre Rechtecksignal am Ausgang . Im Diagramm E sind die Auslöseimpulse für eine andere Kalibrationsfrequenz F _Kb dargestellt, die den doppelten Wert der Kalibrationsfrequenz F _Ka hat. Die Periodendauer P _Kb beträgt daher die Hälfte der Periodendauer P _Ka . Die Diagramme F und G zeigen die entsprechenden Rechtecksignale an den Ausgängen Q bzw. der monostabilen Kippschaltung 11. Ein Vergleich dieser Diagramme läßt erkennen, daß sich die von der monostabilen Kippschaltung 11 bei verschiedenen Kalibrationsfrequenzen F _K abgegebenen Rechtecksignale durch ihr Tastverhältnis unterscheiden.

Das vom Ausgang Q der monostabilen Kippschaltung 11 abgegebene Rechtecksignal steuert einen Schalter 12, und das vom Ausgang abgegebene Rechtecksignal steuert einen Schalter 13. Diese Schalter sind symbolisch als mechanische Kontakte dargestellt, in Wirklichkeit aber schnelle elektronische Schalter, beispielsweise Feldeffekttransistoren. Jeder dieser Schaltung ist geschlossen, wenn das ihn steuernde Rechtecksignal den Signalwert 1 hat, und offen, wenn das Rechtecksignal den Signalwert 0 hat. Der Schalter 12 liegt in der Verbindung zwischen einer Referenzspannungsquelle 14 und dem Eingang eines Tiefpaßfilters 15. Der Schalter 13 verbindet den Eingang des Tiefpaßfilters 15 mit Masse. Die Referenzspannungsquelle 14 liefert eine sehr konstante Gleichspannung U _ref . Somit liegt am Eingang des Tiefpaßfilters 15 eine Rechteckspannung an, die abwechselnd die Spannungswerte U _ref und 0 hat, wie im Diagramm D von Fig. 3 für die Kalibrationsfrequenz F _Ka und im Diagramm H von Fig. 3 für die Kalibrationsfrequenz F _Kb dargestellt ist.

Am Ausgang des Tiefpaßfilters 15 erscheint eine Gleichspannung, die dem Mittelwert der am Eingang des Tiefpaßfilters angelegten Rechteckspannung entspricht, wie in den Diagrammen D und H von Fig. 3 gestrichelt dargestellt ist. Diese Gleichspannung hat bei der Kalibrationsfrequenz F _Ka den Wert U _a (Diagramm D) und bei der Kalibrationsfrequenz F _Kb den Wert U _b (Diagramm H). Wie aus den Diagrammen D und H unmittelbar zu entnehmen ist, ist die Gleichspannung am Ausgang des Tiefpaßfilters 15 der Kalibrationsfrequenz F _K genau proportional.

Ein dem Tiefpaßfilter nachgeschalteter Verstärker 16 bringt die Spannung auf den für die Kalibration des Spannungs/ Frequenz-Wandlers 1 erforderlichen Wert der Kalibrationsspannung U _K .

Der auf diese Weise ausgebildete Frequenz/Spannungs-Wandler 10 ist streng linear bis besser als 2^-16. Die Referenzspannung U _ref im Frequenz/Spannungs-Wandler 10 muß den gleichen Bedingungen genügen wie die Nichtlinearität des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1. Insbesondere muß die Referenzspannung U _ref über die ganze Dauer eines Kalibrationszyklus innerhalb der ausgenützten Auflösung stabil sein. Dagegen kommt es auf die Absolutgenauigkeit des Frequenz/ Spannungs-Wandlers 10 nicht an. Wenn bei der Spannungsmessung Absolutgenauigkeiten benötigt werden, wird eine externe Referenzspannung verwendet.

Der wesentliche Vorteil der in Fig. 1 dargestellten Meßanordnung besteht darin, daß die Spannungsmessung durch die Einschwingzeit des Frequenz/Spannungs-Wandlers 10 nicht behindert wird. Wenn sich nach dem Anlegen einer neuen Kalibrationsfrequenz F _K an den Eingang 10 a des Frequenz/Spannungs- Wandlers 10 die entsprechende Kalibrationsspannung U _K während der Einschwingzeit ausbildet, kann der Ausgang des Frequenz/Spannungs-Wandlers durch den Schalter 7 vom Eingang des Spannungs/Frequenz-Wandlers 1 abgetrennt bleiben, so daß während der ganzen Einschwingzeit die Spannungsmessung mit den früher erhaltenen Kalibrationswerten ungehindert fortgesetzt werden kann. Erst wenn die Kalibrationsspannung U _K nach dem Ablauf der Einschwingzeit ihren endgültigen Wert erreicht hat, wird sie durch kurzzeitiges Schließen des Schalters 7 zur Kalibrierung eines Punktes der Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Spannungs/Frequenz- Wandlers 1 verwertet.

Es ist daher ohne Nachteil möglich, den Frequenz/Spannungs- Wandler mit einer verhältnismäßig großen Einschwingzeit und dementsprechend sehr geringer Stromaufnahme auszubilden. Beispielsweise kann die Einschwingzeit des Frequenz/ Spannungs-Wandlers in der Größenordnung von 2 s liegen, so daß ein vollständiger Kalibrationszyklus für alle fünf Kalibrationsfrequenzen F _K1 bis F _K5 etwa 10 s dauert. Eine solche Dauer des Kalibrationszyklus ist ohne weiteres akzeptabel, da sich die Umgebungstemperatur und demzufolge auch die temperaturbedingte Nichtlinearität der Spannungs- Frequenz-Kennlinie in dieser Zeit nicht merklich ändert. Andere Einflüsse auf die Spannungs-Frequenz-Kennlinie, wie Alterungserscheinungen, ändern sich noch langsamer.

Während es grundsätzlich möglich ist, den Schalter 7 nur jeweils am Ende der Einschwingzeit zur Abtastung der endgültigen Kalibrationsspannung U _K zu schließen, besteht ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb der Spannungsmeßanordnung darin, daß der Schalter 7 bereits während der Einschwingzeit wiederholt kurzzeitig geschlossen wird, damit die Auswerte- und Steuerschaltung durch Vergleich der nacheinander abgetasteten Werte der Ausgangsspannung des Frequenz/ Spannungs-Wandlers 10 feststellen kann, ob die Kalibrationsspannung U _K ihren endgültigen Wert erreicht hat. Ein vollständiger Kalibrationszyklus kann dann beispielsweise so ablaufen, wie in den Diagrammen von Fig. 4 dargestellt ist.

Das Diagramm A von Fig. 4 zeigt schematisch die zeitliche Aufeinanderfolge der Spannungen U _x , U _R , U₀, U _K , die durch Schließen der Schalter 4 bis 7 an den Eingang des Spannungs/ Frequenz-Wandlers 1 angelegt werden. Die Dauer des Zeitintervalls T _C , für die jede Spannung an den Spannungs/ Frequenz-Wandler angelegt werden muß, ist insbesondere durch die Zeitdauer bedingt, die die Auswerte- und Steuerschaltung 3 benötigt, um die Frequenz f _A des Ausgangssignals des Spannungs/Frequenz-Wandlers in ein Binärsignal mit der geforderten Auflösung entsprechenden Bitzahl umzuwandeln. So hat das Zeitintervall T _C beispielsweise für eine 13-Bit-Wandlung eine Dauer von etwa 30 ms und für eine 15-Bit-Wandlung eine Dauer von 90 ms. Diese Dauer ist in jedem Fall sehr klein gegen die Einschwingzeit T _E des Frequenz/Spannungs-Wandlers 10, die beispielsweise 2 s beträgt.

In gewissen Zeitabständen wird anstelle der Nullspannung U₀ die Kalibrationsspannung U _K für ein kurzes Kalibrationszeitintervall T _K an den Eingang des Spannungs/Frequenz- Wandlers 10 angelegt. Das Kalibrationszeitintervall T _K hat vorzugsweise die gleiche Dauer wie das Zeitintervall T _C und ist auf jeden Fall sehr kurz im Vergleich zur Einschwingzeit T _E des Frequenz/Spannungs-Wandlers 10. Die Auswerte- und Steuerschaltung speichert den im Kalibrationszeitintervall T _K gemessenen Wert der Kalibrationsspannung U _K und vergleicht ihn mit einem oder mehreren zuvor gemessenen und gespeicherten Werten dieser Spannung. Wenn eine bestimmte Anzahl von in Folge gemessenen digitalen Werten der Kalibrationsspannung U _K um weniger als das kleinste Bit der ausgenutzten Auflösung voneinander abweicht, wird angenommen, daß die Kalibrationsspannung U _K ihren endgültigen Wert für die angelegte Kalibrationsfrequenz F _K erreicht hat. Dann wird der Frequenzwert f _K , den der Spannungs/ Frequenz-Wandler 1 für diesen Spannungswert liefert, in der Auswerte- und Steuerschaltung 3 gespeichert und die nächste Kalibrationsfrequenz F _K an den Eingang des Frequenz/ Spannungs-Wandlers 10 angelegt. Der vollständige Kalibrationszyklus hat somit den im Diagramm B von Fig. 4 dargestellten zeitlichen Verlauf, wobei der Zeitmaßstab des Diagramms B wesentlich kleiner als der Zeitmaßstab des Diagramms A ist. Jede Kalibrationsfrequenz F _K1 ... F _K5 liegt für die Dauer der Einschwingzeit T _E von etwa 2 s am Frequenz/Spannungs-Wandler 10 an. Der vollständige Kalibrationszyklus hat daher für fünf Kalibrationsfrequenzen eine Zyklusdauer T _Z von etwa 10 s.

Claims (4)

1. Anordnung zur digitalen Spannungsmessung mit einem Spannungs/Frequenz-Wandler, an den die zu messende Spannung angelegt wird und der ein Ausgangssignal liefert, dessen Frequenz in dem zu erfassenden Meßbereich nach der Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers von der angelegten Spannung abhängt, und mit einer Auswerte- und Steuerschaltung, die das Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz-Wandlers empfängt und aus der Frequenz dieses Ausgangssignals den Meßwert der zu messenden Spannung ermittelt und in ein digitales Signal wandelt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenz/Spannungs-Wandler (10) vorgesehen ist, an den durch die Auswerte- und Steuerschaltung (3) nacheinander Signale mit unterschiedlichen, über den Meßbereich verteilten Kalibrationsfrequenzen (F _K ) für jeweils ein Zeitintervall angelegt werden, das wenigstens gleich der Einschwingzeit (T _E ) des Frequenz/Spannungs-Wandlers (10) ist, daß eine Umschaltanordnung (2) die nach dem Ende der Einschwingzeit (T _E ) am Ausgang des Frequenz/Spannungs- Wandlers (10) für jede Kalibrationsfrequenz (F _K ) erhaltene Kalibrationsspannung (U _K ) für ein im Verhältnis zur Einschwingzeit (U _K ) kurzes Kalibrationszeitintervall (T _K ) an den Eingang des Spannungs/Frequenz-Wandlers (1) anlegt, und daß die Frequenz (f _K ) des während des Kalibrationszeitintervalls (T _K ) erhaltenen Ausgangssignals des Spannungs/ Frequenz-Wandlers (1) in der Auswerte- und Steuerschaltung (3) zur Kalibration der Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Spannungs/Frequenz-Wandlers (1) verwendet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltanordnung (2) die Ausgangsspannung des Frequenz/ Spannungs-Wandlers (10) während der Einschwingzeit (T _E ) wiederholt für im Verhältnis zur Einschwingzeit (T _E ) kurze Zeitintervalle (T _K ) an den Eingang des Spannungs/Frequenz- Wandlers (1) anlegt, daß die Auswerte- und Steuerschaltung (3) die während dieser Zeitintervalle (T _K ) gemessenen Spannungswerte speichert und mit früher gespeicherten Spannungswerten vergleicht, und daß die Auswerte- und Steuerschaltung (3) den zuletzt gemessenen Spannungswert als endgültigen Wert der Kalibrationsspannung (U _K ) akzeptiert, wenn die Abweichungen zwischen einer vorbestimmten Anzahl von in Folge gemessenen Spannungswerten unter einem vorbestimmten Grenzwert liegen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs/Frequenz-Wandler (1) ein spannungsgesteuerter Oszillator ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenz/Spannungs-Wandler (10) eine monostabile Kippschaltung (11) enthält, die durch das von der Auswerte- und Steuerschaltung (3) abgegebene Signal mit der Kalibrationsfrequenz (F _K ) periodisch ausgelöst wird und deren Haltezeit (T _H ) kleiner als die Periodendauer des Signals mit der höchsten Kalibrationsfrequenz (F _K ) ist, und daß der Frequenz/Spannungs-Wandler (10) eine Umschaltanordnung (12, 13) enthält, die durch die Ausgangssignale der monostabilen Kippschaltung (11) so gesteuert wird, daß sie abwechselnd zwei verschiedene Gleichspannungswerte (0, U _ref ) für die Dauer des einen bzw. des anderen Zustands der monostabilen Kippschaltung (11) an den Eingang eines Tiefpaßfilters (15) anlegt.