FI87280B - Foerfarande och anordning foer omvandling av en elektrisk signal till en proportionell frekvens. - Google Patents

Description

87280

MENETELMÄ JA LAITE SÄHKÖISEN SIGNAALIN MUUTTAMISEKSI VERRANNOLLISEKSI TAAJUUDEKSI - FÖRFARANDE OCH ANORDNING FÖR OM-VANDLING AV EN ELEKTRISK SIGNAL TILL EN PROPORTIONELL FREK-VENS

Keksintö kohdistuu menetelmään ja laitteeseen sähköisen signaalin muuntamiseksi verrannolliseksi taajuudeksi patenttivaatimuksen 1 tai patenttivaatimuksen 7 päätunnusmerkin mukaisesti .

Tällaisia laitteita käytetään mittaustarkoituksiin ja niitä käytetään esim. sähkömittareissa muuntamaan tarkasti signaali, joka on verrannollinen sähkötehon, t.s. virta/jännite-tuotteeseen, verrannolliseksi impulssitaajuudeksi.

Mainitunlaisen laitteen rakenne ja toimintatapa on tunnettu US-PS 4 124 8 21:s t ä. Siinä käytetään jaksottaisen napavaih-telun periaatetta noL1 ajännitte e n ("Of fse11"-jännite ) eliminoimiseen, joka aina esiintyy ei kompensoitavana sisäänmeno-signaalin ajasta tai lämpötilasta riippuvana osana suoraan mittaustarkkuuden 1ineariteettivirheenä. Tällöin vaihdellaan jaksottain ja samanaikaisesti sekä muunnettavaa signaalia että myös laitteen siirtosuuntaa niin, että muunnettavan signaalin molemmat etumerkkimuutokset tasaavat toisensa. Sitävastoin no 11 ajännitteen vaikutus, joka on vain yhden siirron etumerkkimuutoksen alainen, tulee kulloinkin vaihto- signaalin puolijakson aikana vaihdellen lisätyksi singaaliin tai vähennetyksi siitä niin, että no 11 ajännitteen integrointi vaihtosignaa1in kokonais 1ukuisen lukumäärän yli antaa arvon nolla sillä edellytyksellä, että vaihtosignaa1in molemmat puolijaksot kestävät tarkoin yhtä kauan. Koska navan-vaihdon hetkellä integrointikondensaattorissa on aina vielä jäljellä nollasta poikkeava jäännösla taus, vaikuttaa tämä napavaihdon jälkeen vääränä napaisuutena ja johtaa mittaustuloksen vääristymiseen. Pitkällä mittausaikavälillä tarkastettuna ei tällä vääristymisellä tarvitse olla mitään negatiivista vaikutusta impulssitaajuuden keskiarvoon, mutta se 87280 johtaa joka tapauksessa impulssitaajuuden hetkellisiin hei-lahteluihin, t.s. modulointiin. Tämän estämiseksi synkronisoidaan nykytekniikan tasolla napavaihdon hetki komparaattorin u1osmenosignaali11a, joka vartioi kondensaattorijännitettä niin, että navanvaihto tapahtuu aina kondensaattori-jännitteen nollaläpimenossa, t.s. hetkellä, jolloin kondensaattorin jäännöslataus on nolla. Tämä ratkaisu johtaa kuitenkin siihen, että vaihtosignaalin molemmat puolijaksot eivät aina ole tarkoin samanlaisia, vaan vain enemmän staattisessa mielessä kestävät yhtä kauan ja siten jälleen johtavat laitteen ulosmenotaajuuden epäsäännölliseen modulointiin, mikä vaikeuttaa kalibrointia ja tekee sen vasta mahdottoman pitkän ajan kuluttua mahdolliseksi.

Keksinnön pohjana on tehtävä parantaa menetelmää ja laitetta, joita on selostettu nykytekniikan tasolla siinä mielessä, että vältetään sekä laitteen ulosmenotaajuuden modulointi vaihtosignaalin eri pituisten puolijaksojen vuoksi että myös sen modulointi kondensaattorin jäännös latausten vuoksi, jotka ovat vielä olemassa navanvaihdon hetkellä, ja että siten on mahdollista laitteen nopea ja tarkka kalibrointi ilman pitkiä odotusaikoja.

Mainittu tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaan patenttivaati-muksen 1 tai patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkien tunnusten mukaisesti .

Keksinnön toteutusesimerkkejä on esitetty piirustuksessa ja niitä selostetaan seuraavassa lähemmin.

Kuvat esittävät:

Kuva 1 laitteen ensimmäisen vaihtoehdon kytkentäkaavio,

Kuva 2 laitteen toisen vaihtoehdon kytkentäkaavio,

Kuva 3 laitteen kolmannen vaihtoehdon kytkentäkaavio, 87280

Kuva 4 ensimmäiseen vaihtoehtoon kuuluva aikadiagrammi,

Kuva 5 ulosmenotaajuusjakajan kytkentäkaavio,

Kuva 6 sähkömittarin kytkentäkaavio,

Kuva 7 erään kytkennän sisäänmeno-osan kytkinkaava, ja

Kuva 8 laitteen neljännen vaihtoehdon kytkentäkaavio.

Samat viitenumerot merkitsevät piirustuksen kaikissa kuvissa samoja osia.

Selostettujen laitteiden kaikki komponentit on rakennettu esim. CMOS-teknologialla ja niitä syötetään silloin positiivisella syöttötasajännittee11ä ja negatiivisella syöttö- tasajännitteellä ~lvggl» joiden kummankin mitat ovat viite-potentiaalina. Syöttötasajännitteet V ja —|V ^ ^| otetaan tunnetulla tavalla verkkotasasuuntaajan avulla verkkovaihto-jännitteestä u^. Piirustuksessa ei verkkotasasuuntaajaa ja syöttötasajännitettä V ja -|V | ole esitetty, vaikkakin ne ovat aina läsnä havainnollisuuden parantamiseksi.

; - : Piirustuksessa on kaikki ei-pakolliset liitokset ja kompo nentit esitetty katkoviivoin. Kaikki tahtisisäänmenot, joita ____: ohjataan positiivissuuntaisilla kyljillä, on merkitty piirustuksessa symbolisesti kukin valkoisella kolmiolla, kun taas kaikki tahtisisäänmenot, joita ohjataan negatiivissuun-taisilla kyljillä, on symbolisesti varustettu kukin mustalla kolmiolla.

Muunnettava signaali u on joko mittaussignaali esim. sähkö-

H

jännite, tai mittaussignaalista johdettu signaali, kuten esim. sähköteho, joka tunnetusti vastaa virran ja jännitteen tuotetta.

4 87280

Kuvissa 1-3 esitetyt laitteen kolme vaihtoehtoa ovat samalla tavoin rakennettuja ja eroavat toisistaan vain sisaänmeno-osassaan. Nämä kolme vaihtoehtoa muodostuvat kukin ensimmäisen napavaihtajän 1 ja sen jälkeisen kytkennän 2 kaskadi-kytkennästä. Kytkentä 2 käsittää kaikissa tapauksissa jänni-te/virta-muuntimen 3 ja sen jälkeisen kytkennän 4 kaskadi-kytkennän, jolloin jännite/virta-muuntimen 3 sisäänmeno muodostaa kytkennän 2 signaalisisäänmenon. Kytkentä 4 muodostuu kaikissa tapauksissa (katso kuvaa 1) toisesta napavaihtajas-ta 5, kondensaattorista C, komparaattorista 6, D-kiikusta 7, ulosmenojaksojen jakajasta 8, vaihtokytkimestä 9, vakiovir-talähteestä 10, tahtigeneraattorista 11, tahtitaajuuden jakajasta 12, vapaaehtoisesti mukana olevasta tasoitustrigge-ristä 13 ja vapaaehtoisesti mukana olevasta vaihtokytkentä-taajuuden jakajasta 14.

Ensimmäisessä vaihtoehdossa (katso kuvaa 1) sisältää kytkentä 2 vielä toisen vakiovirtalähteen L5 signaalilähteenä, jonka ensimmäinen napa on yhdistetty ei massassa olevaan jännite/virta-muuntimen 3 ulosmenonapaan, kun taas sen toinen napa lepää positiivisella syöttötasajännitteel1ä VDD·

Toisessa vaihtoehdossa (katso kuvaa 2) sisältää kytkentä 2 vielä vakiojännitelähteen 16 signaalilähteenä, jonka ensim-mäinen napa on yhdistetty yhteenlaskuelimen 17 ensimmäiseen sisäänmenoon, kun taas sen toinen napa lepää massassa. Yh-—! teenlaskuelimen 17 toinen sisäänmeno esittää kytkennän 2 ei · : massassa olevaa sisäänmenonapaa, kun taas yhteenlaskuelimen ,·. 17 ulosmeno on viety ei massassa olevaan j änn i t e / v i r t a-muun- • - timen 3 sisäänmenonapaan.

Kolmannessa vaihtoehdossa (katso kuvaa 3) on ensimmäisen napavaihtajan 1 ja kytkennän 2 välissä lisäksi ylipäästövah-vistin 18 kaskadiin kytkettynä, joka muodostuu esim. vah-_ vistimesta 19 ja sen jälkeen kaskadiin kytketystä ylipääs- .' '. tösuotimesta 20.

5 87280

Kolmessa vaihtoehdossa on napavaihtokytkimien 1 ja 5 sisään-ja ulosmenot sekä jännite/virta-muuntimen 3 vastaavat kaikki kaksinapaisia, jolloin kullakin jännite/virta-muuntimen 3 ja napavaihtokytkimen 5 sisäänmenonapa lepää massassa. Napavaihtoky tkimen 5 kaksinapainen sisäänmeno muodostaa kytkennän 4 kaksinapaisen sisäänmenon. Sen kaksinapainen ulosmeno on johdettu kondensaattoriin C, jonka ensimmäinen napa on lisäksi yhdistetty komparaattorin 6 ei-invertoivan sisäänmenon kanssa ja vaihtokytkimen 9 työkoskettimen kautta vakio-virtalähteen 10 ensimmäisen navan kanssa, kun taas sen toinen napa on lisäksi ohjattu komparaattorin 6 invertoivaan sisäänmenoon ja vaihtokytkimen 9 lepokoskettimen kautta va-kiovirtalähteen 10 ensimmäiseen napaan, jonka toinen napa lepää negatiivisella syöttötasajännitteellä —|V |. Kompa-

O O

raattorin 6 ulosmeno on yhdistetty D-kiikun 7 D-sisäänme-noon, jonka Q-ulosmeno on yhtäältä viety vaihtokytkimen 9 yhdelle ohjaussisäänmenolle ja toisaalta ulosmenotaajuuden 8 ensimmäiselle signaalisisäänmenolle.

Tahtigeneraattorin 11 ulosmeno on yhdistetty tahtitaajuuden jakajan 12 yhteen sisäänmenoon, jolla on esim. kuusi sisään-menoa. Sen ensimmäinen ulosmeno, jolla on taajuuden f /2 Π tahtisignaali P, on viety ulosmenotaajuuden jakajan 8 toiseen signaalisisäänmenoon , sen toinen ulosmeno, jolla on ' taajuuden f tahtisignaali L, on yhdistetty D-kiikku 7:n

H

tahtisisäänmenoon ja ulosmenotaajuuden jakajan 8 ensimmäi seen tahtisisäänmenoon, kun taas sen kolmas ulosmeno, jolla on taajuuden f /128 tahtisignaa1i T, on viety ulosmenotaa-juuden jakajan 8 toiseen tahtisisäänmenoon. Sen neljäs ulos-I . meno, jolla on taajuuden 2f tahtisignaali Y, on yhdistetty * * Π

ulosmenotaajuuden jakajan 8 kolmanteen tahtisisäänmenoon. Tahtitaajuuden jakajan 12 viides ulosmeno, jolla on taajuuden f /32 tahtisignaali R, on vapaaehtoisesti olemassa ja »- - H

sitä käytetään esim. kuvassa 6 esitetyssä sähkömittarissa. Se on yhdistetty vapaaehtoisesti olemassa olevaan kytkennän 2 tahtiulosmenoon 21.

6 87280

Vaihto-ohjausjännite N, esim. 50 Hz- tai 60 Hz-verkon vaihtojännite, syöttää vapaaehtoisesti kaksinapaisesti tasaaja-triggerin 13 sisäänmenoa, jonka ulosmeno on yhdistetty vaih-totaajuuden jakajan 14 sisäänmenoon. Molempien napavaihto-kytkimien 1 ja 5 keskenään yhdistettyjä ohj aussisäänmenoja syötetään joko vaihtokytkentätaajuuden 14 ulosmenosta vaih-tokytkentäsignaalilla A tai tahti taajuuden jakajan 12 kuudennesta ulosmenosta vaihtokytkentäsignaali11a B johdinlii-toksen kautta. Jos käytetään vaihtokytkentäsignaalia B, voidaan tietysti säästää tasaus-triggeri 13 ja vaihtokytken-tätaajuuden jakaja 14. Kaksi ulosmenotaajuuden jakajan 8 neljästä ulosmenosta ovat samalla kytkennän 2 molemmat sig-naaliulosmenot 22a ja 22b. Yhdellä näistä molemmista signaali u1osmenois ta, nimittäin ulosmenolla 22a, on olemassa signaali M, mikä vastaa signaalin u positiivista arvoa, kun

H

taas toisella signaaliulosmenolla 22b on signaali , joka vastaa signaalin u negatiivista arvoa.

Molemmat napavaihtokytkimet 1 ja 5 ovat samalla tavoin rakennetut ja muodostuvat kumpikin kaksinapaisesta vaihtokyt-kimestä, joka on rakennettu CMOS-teknologialla tunnetun puoli johde-analogiakytkimen avulla. Tällöin on (katso kuvaa 1, symbolit lohkoissa 1 ja 5) napavaihtokytkimien 1 ja 5 ensimmäinen sisäänmenonapa yhdistetty sekä sen ensimmäisen lepo-'•j koskettimen kautta sen ensimmäiseen ulosmenonapaan että myös sen ensimmäisen työkoskettimen kautta sen toiseen ulosmenonapaan, kun taas sen toinen sisäänmenonapa on yhdistetty * .·. sekä sen toisen lepokoskettimen kautta sen toiseen ulosmeno napaan että myös sen toisen työkoskettimen kautta sen ensim-. * maiseen ulosmenonapaan. vaihtokytkin 9 on yksinapainen ja esim. rakennettu myös CMOS-teknologialla tunnetun puolijoh-de-analogiakytkimen avulla.

Tahtitaajuusjakaja 12 ja vaihtotaajuusjakaja 14 on rakennettu esim. CMOS-teknologialla tunnetun binääri laskijan avulla ja ne tekevät mahdolliseksi synkronisen taajuusjaon avulla 2 , jolloin x on kokonaisluku.

7 872S0

Tahtigeneraattori 11 on esim. kvartsistabiloitu ja tuottaa 1 5 suorakulmaisia tahti-impulsseja esim. taajuudella 2 Hz = 32,768 kHz. Tämä taajuus jaetaan jälkeenkytketyssä tahti taa- 4 5 juusjakajassa 12 esim. m:llä, jolloin millä on arvot 2,2, 2^, 2^, 2^ ja 2^, t ah t i s ignaa 1 i n Y taajuuksien 2fR = 211 Hz, tahtisignaalin L taajuuksien f = 21 ° Hz, tahtisignaa- 9

Iin P taajuuksien f /2=2 kH, tahtisignaalin E taajuuksien 5 " f /3 2 = 2 Hz, vaihtokytkentäsignaalin B taajuuksien f / 6 4 = I R 3 2 Hz = 16 Hz ja tahtisignaalin T taajuuksien f /128 = 2 Hz

R

tuottamista varten.

Vaihto-ohjausjännite N muunnetaan tasaus-triggerissä 13 jaksottaiseksi suorakulmaiseksi samantaajuiseksi impulssisig-naaliksi. Tasaus-triggerin 13 molemmat kytkentäkynnykset on valittu mieluummin niin, että vaihtokytkentä jälkeenkytke-tyssä va ih toky ».ken t M Laa j uus j aka j assa 14 i.apahtuu tarkoin vaihto-ohjausjännitteen N nollaläpimenossa. Seuraavassa vaihtokytkentätaajuusjakajassa 14 jaetaan silloin tämän suorakulmaisen inpulssisingaalin esim. 50 Hz- tai 60 Hz-taajuus 2 nillä, jolloin n omaa esim. arvon 2 , vaihtokytkentäsignaalin A taajuuden 12,5 Hz tai 15 Hz tuottamista varten. Molempia napavaihtokytkimiä 1 ja 5 ohjaa ja vaihtokytkee sama ; .. va i h toky tk en t ä s i gnaa 1 i A tai B synkronisesti ja jaksottain — taajuudella 12,5 Hz tai 15 Hz (vaihtokytkentäsignaa1i A) tai .·. taajuudella 16 Hz ( vaihtoky tkentäsignaal i B). Tasaus-tr igge- ri 13 ja vaihtokytkentätaajuusjakaja 14 tai tahtigeneraattori 11 ja osittain tahtitaajuusjakaja 12 muodostavat siten yhdessä ohjauskytkennän molempien napavaihtokytkimien 1 ja 5 jaksottaisten vaihtokytkentäsignaalin A tai B tuottamiseksi.

Jännite/virta-muuntimella 3 on käytännössä väistämätön n o 1 -: ·· lajännite ( 0 f f se 11-j änn i te ) UQ , jota kuvissa 1 ja 2 symboli- sesti esittää jännitelähde 3a, joka on kytketty sarjaan ideaaliseen, no 11 ajänni11ee11omään jännite/virta-muuntimeen - - - _ 3b sisään.m enonavan kanssa. Jännitelähde 3a ja ideaalinen ’ jännite/virta-muunnin 3b muodostavat yhdessä epäidea alisen : .* jännite/virta-muuntimen 3.

8 87280 D-kiikkua 7 ohjataan esim. negatiivissuuntai si1la kyljillä.

Kaikissa kolmessa vaihtoehdossa ohjataan muunnettava signaali u sähköjännitteen muodossa kaksinapaisena napavaihtokyt-kimen 1 sisäänmenoon, jota ohjataan vaihtokytkinsignaa1i1la A tai B. Napavaihtokytkin 1 vaihtaa jaksottain signaalin u n napaisuuden.

Esim. vaihtokytkinsignaalien A tai B kaikkien parittomien puolijaksojen aikana esiintyy signaali +u„ napavaihtokytki- n men 1 ulosmenossa ja kaikkien parillisten puolijaksojen aikana signaali -u .

H

Ensimmäisessä vaihtoehdossa (katso kuvaa 1) muunnetaan jaksottain napavaihde1tu signaali +u jäkeenkytketyssä jänni-te/virta-muuntimessa 3 verrannolliseksi signaa1ivirraksi + i . Tämän jännite/virta-muuntamisen jälkeen ja vielä ennen

— H

seuraavaa integrointia lisätään jännite/virta-muuntimen 3 ulosmenossa tasavirta 1/2 vakio referenssisignaa1ina jänni- te/virta-muuntime 11a 3 tuotettuun virtasignaaliin +i tar-

— H

koituksella muodostaa summasignaali +i +1 /2. Vakiovirta-

— H R

lähde 15 tuottaa tällöin tasavirran 1/2.

R

Toisessa vaihtoehdossa (katso kuvaa 2) lisätään sitävastoin ‘ ensin jaksottain napavaihde1tuun signaaliin +u jännite/vir-

““ H

• . ta-muuntimen 3 sisäänmenossa tasajännite U /2 vakio refe-

R

renssisignaalina yhteenlaskuelimen 17 avulla. Näin saatu ·. .·. summasignaal i +u /U /2 muunnetaan jäljessä seuraavassa jän-

• * — H R

nite/virta-muuntimessa 3 verrannolliseksi virtasignaaliksi . ’’ +i„ + I_/2. Tällöin vastaa virtasignaali +i„ jälleen signaalia · + u ja tasavirta 1/2 tasajännitettä Un/2. Tasajännitteen

— H R R

U /2 tuottaa vakiojännitelähde 16.

• · R

Ensimmäisessä ja toisessa vaihtoehdossa on siten napavaihto-" kytkimen 5 sisäänmenovirta näin saatuun summasignaaliin +uu+U0/2 tai +i +1 /2 verrannollinen signaali +i +1 /2. Na-pavaihtokytkin 5, joka on sijoitettu jännite/virta-muuntimen 87280 3 ja kondensaattorin C väliin, vaihtaa tämän signaalin napaa synkronisesti signaalin u jaksottaista navanvaihtoa seura- ten niin, että kondensaattoriin C tulee navanvaihtokytkimes- tä 5 jatkuvasti virta iu+ID/2. Kahdesti jaksottain napavaih-

dettu, u„:hon verrannollinen signaali i integroidaan lo-H H

puksi kondensaattorissa C.

Koska jännite/virta-muuntimella 3 on, kuten jo on mainittu, sisäänmenossaan aina nollajännite UqI joka vastaa jännite/- virta-muuntimen 3 ulosmenossa verrannollista virtaa I , ei o napavaihtokytkimen 5 sisäänmenovirta ole todellisuudessa ideaalisesti yhtä kuin +ϊ„+Ιη/2, vaan molemmissa vaihtoeh- doissa yhtä kuin +iTt + I„/2 + I .

J - H R o

Referenssisignaalin U /2 tai 1/2 arvo vastaa vakiovirtaläh-

R R

teen 10 toimittaman referenssivirran I puolta arvoa ja sen

R

täytyy samalla täyttää ehto U_/2> |+u +U | tai In/2 >·

R “HO H

|+i +1 |. Toisin ilmaistuna: vakioreferenssisignaalin U /2

“Ho H

tai 1/2 arvo on valittava suuremmaksi kuin no11ajännitteen R

U U :n ja I :n vaikutuksesta kohonnut, yhteenlaskun alueel-o o o la olevan jaksottain napavaihdellun signaalin +u tai +i

“ H — H

amplitudin u tai i„ arvo.

H n

Nollajännitteen Uo arvo verrattuna signaalin u^ arvoon tai

virran I arvo verrattuna virran i,, arvoon on aina hyvin o H

. . : pieni niin, että virta I peittää vain hyvin pienen osan .! laitteen 1eveysalueesta. Kriittisissä käyttötapauksissa,

joissa signaalin u maksimiarvo verrattuna nollajännittee-.... H

seen U on hyvin pieni, voi signaalille u jäävä säätöalue * , “, O H

; ; verrattuna mahdolliseen maksimisäätöa1ueeseen U /2 tai 1/2

- R R

‘ ‘ tulla liian pieneksi. Siksi on edullista dynamiikan paranta miseksi kolmannen vaihtoehdon mukaan (katso kuvaa 3) vahvistaa jaksottain napavaihdettua signaalia +u y1ipäästövahvis-: ·.: timessa 18 vaihtojännitteen suhteen ennenkuin se johdetaan kytkentään 2 edelleenkäsittelyä varten, minkä kautta signaa-livirran i suhde virtaan I tai signaalin u nollajännit-* teeseen Uq paranee. Ylipäästövahvistimessa 18 ei ole mitään 10 87280

tai vain hyvin vähän tasajännitevahvistusta, mikä toteutetaan esim. ylipäästösuotimen 20 läsnäololla ylipäästövahvis-timessa. Ylipäästövahvistimen 18 aikavakiot täytyy valita riittävän pieniksi, jotta vahvistettu, suorakulmainen signaali +u voidaan siirtää riittävän pienellä vääristymällä. " H

Kolmannessa vaihtoehdossa on kytkennällä 2 joko kuvassa 1 tai kuvassa 2 esitetty rakenne. Jännite/virta-muunnin 3 ja sen jälkeen kytketty kondensaattori C muodostavat yhdessä kaikissa kolmessa vaihtoehdossa integraattorin 3; C, jolloin signaalilähde 15 tai 16 on sijoitettu sen sisäänmeno-osaan.

Integraattorin 3; C jälkeen kytketty komparaattori 6 valvoo sen ulosmenojännitettä , nimittäin kondensaattorijännitettä u^,, tarkoituksella ohjata vakiovirtalähteen 10 tuottama, vakio referenssivirran I kiinni- ja aukikytkentä kun kyn-

R

nysarvo ylitetään tai alitetaan tuottaen samalla suorakulmaisia ulosmenoimpulsseja . Kondensaattorijännitteen u^ ajallinen kulku on esitetty toisella rivillä kuvassa 4 sitä tapausta varten, että signaali u on vakio ja positiivinen ja

H

että nollajännite Uq on nolla. Tässä tapauksessa on kondensaat tor i j änn i t tee 1 1 ä u sahanterämäinen muoto, jonka kyljil- L» lä on kaikilla vakio kaltevuus ja jonka positiiviseen ja negatiiviseen suuntaan olevat kyljet kaikki ovat kulloinkin keskenään samansuuntaisia.

D-kiikun 7 ohjaama vaihtokytkin 9 on referenssivirran I

R

. .: kiinni- ja aukikytkemistä varten. Kuten jo on mainittu, syö tetään kondensaattorille C virta i^I^/2+Io napavaihtokyt-kimellä 5, jolloin plus-merkki tarkoittaa vaihtokytkentäsig-naalin A tai B parittomia ja miinus-merkki parillisia puoli--· jaksoja. Jos D-kiikun 7 ui osmenos i gnaal i 11 a F on aluksi lo- --- giikka-arvo "0", ottaa aluksi vaihtokyktin 9 kuvassa 1 esi- .·. tetyn asennon. Siilon on vakiovirtalähde 10 vaihtokytken- täsignaalin A tai B parittomien puolijaksojen aikana, jonka : ·.: aikana napavaihtokytkin 5 ottaa samoin kuvassa 1 esitetyn asennon, aina yhdistetty sen hetkellisesti massassa olevaan

liittimeen. Vakiovirtalähteen 10 referenssivirta I virtaa * . R

massaan eikä voi ladata kondensaattoria C. Vaihtokytkentä- li 11 87280 signaalin A tai B jokaisen parittoman puoliaallon aikana ladataan kondensaattoria C vain napavaihtokytkimien 5 kautta

virralla i +1 +1 . Täten nousee komparaattorin 6 valvoma HKO

jännite u kondensaattorissa C. Komparaattorilla 6 on esim.

v sisäänmenokynnysarvo 0 volttia. Kun jännite u ylittää kom-paraattorin 6 sisäänmenokynnysarvon, muuttaa ulosmenosignaa-li K arvoaan logiikka-arvosta "O" logiikka-arvoon "1". Komparaattorin 6 ulosmenosignaalin K ajallinen kulku on esitetty kuvan 4 kolmannella rivillä. Ulosmenosignaalin K olotila-muutos otetaan korkeajaksoisen tahtisignaalin L seuraavalla negatiivissuuntaisella kyljellä vastaan komparaattorin 6 jälkeen kytkettyyn D-kiikkuun 7. D-kiikku 7 on sitä varten, että se synkronisoi komparaattorin 6 suorakulmaisen ulosme-nosignaalin K suorakulmaisen tahtisignaalin L kanssa, jonka taajuus, kuten on mainittu, on esim. 21^ Hz. Tahtisignaalin L ajallinen kulku on esitetty kuvan 4 ensimmäisellä rivillä ja D-kiikun 7 suorakulmaisen ulosmenosignaa1in F ajallinen kulku rivillä neljä. D-kiikun 7 vastaanottama arvonmuutos ohjaa ulosmenosignaalin F avulla vaihtokytkintä 9 ja vaihto-kytkee tämän, joka nyt ottaa kuvassa 1 esitetyn vastakkaisen asennon. Täten virtaa nyt lisäksi vakiovirtalähteen 10 refe- renssivirta I kondensaattorin C läpi.

K

Kondensaattorin C latausvirta on siten: i +Irt/2+I -ΙΛ =

HR o R

i -I_/2+I , t.s. termi 1/2 on muuttanut etumerkkiä. Koska H K O K

; kuitenkin, kuten on mainittu, ehto I /2>|+i +1 | pätee, on I ’. I R — H o resultoiva latausvirta negatiivinen.

Jännite u^, kondensaattorilla C laskee, ja se alittaa komparaattorin 6 sisäänmenokynnysarvon, ottaa sen ulosmenosignaa-• *_ li K jälleen alkuperäisen logiikka-arvonsa "0". Myös tämä ; arvonmuutos otetaan jälleen vastaan tahtisignaalin L seuraa- van negatiivissuuntaisen kyljen kautta D-kiikkuun 7, mikä : ·.. johtaa siihen, että vaihtokytkin 9 ottaa jälleen alkuperäi- sen asentonsa niin, että uusi kierto voi alkaa. Tämä toistuu niin usein, kunnes vaihtokytkinsignaa 1in A tai B pariton : puolijakso on päättynyt. Ulosmenosignaalin F jokaista im- 12 87280 pulssia vastaa tällöin yksi ainoa, referenssi virran I avul-

R

la suoritettu kondensaattorin C purkaus.

Vaihtokytkentäsignaa1in A tai B jokaisen parittoman puoli-jakson lopussa vaihtokytketään molemmat napavaihtokytkimet 1 ja 5 synkronisesti vaihtokytkentäsignaali11a A tai B niin, että ne molemmat ottavat kuvassa 1 esitetylle asennolle vastakkaisen asennon. Napavaihtokytkimen 5 vaihtokytkemisellä tulevat sekä kondensaattori C että myös vakiovirtalähteen 10 vaikutus vaihtokytketyiksi. Tällöin on vakiovirtalähde 10 vaihtokytkimen 9 kuvassa 1 esitetyllä asennolla yhdistetty kondensaattorin C molempiin napoihin ja siten käytössä. Olettaen, että vaihtokytkinsignaalin nyt alkavan parillisen puolijakson aluksi vaihtokytkin 9 ottaa esim. jälleen kuvassa 1 esitetyn asennon, tulee kondensaattori C ladatuksi sekä napavaihtokytkimen 5 kautta virralla i -I /2-1 että myös HR 0 vakiovirtalähteestä 10 referenssivirra 1la I .

K

Kokonaislatausvirta on siten: i -T /2-1 +I„ = i„-I_/2-I .

HR o R HR o

Kondensaattorijännite u nousee ja kun se ylittää kompa-

O

raattorin 6 sisäänmenokynnysarvon, muuttaa sen ulosmenosig-naali K arvonsa logiikka-arvosta "0" logiikka-arvoon "1". Tämä muutos johtaa jo kuvatulla tavalla siihen, että vaihto-kytkin 9 vaihtokytkee ja siten vakiovirtalähde 10 tulee yh-.. * distetyksi kondensaattorin C massassa olevan liittimen kans- ;·_ sa. Kondensaattori C tulee nyt ladatuksi enää vain napavaih- tokytkimen 5 kautta virralla i -I /2-1 , joka on negatiivi-

• - - · - H R O

nen, koska ehto i /2> |+I +1 | pätee. Kondensaattorijännite

. · * · R — H O

·· ' u laskee ja kun se alittaa komparaattorin 6 sisäänmenokyn- nysarvon, silloin muuttaa sen ulosmenosignaali arvoaan ta-.kaisin logiikka-arvoon "0", jonka vuoksi vaihtokytkin 9 kytkeytyy takaisin ulosmenoasentoonsa niin, että uusi kierros voi alkaa. Tämä toistuu niin usein, että vaihtokytkentäsig- • naalin A tai B pariton puolijakso on päättynyt.

13 87280

Yhteenvetona pätee:

Vaihtokytkentäsignaalin A tai B parittoman puolijakson aikana tulee kondensaattori C vaihdellen ladatuksi virralla i -I /2+1 ja puretuksi virralla i -I /2+1 . Vaihtokytkentä-

H R o H R O

signaalin A tai B parillisen puolijakson aikana tulee kondensaattori C sitävastoin vuorotellen ladatuksi virralla i +1 /2-1 ja puretuksi virralla i -I /2-1 . Molemmat puoli- jaksolajit eroavat siten vain virran Iq etumerkillä. Koska vaihtokytkentäsignaalei1la A ja B on niiden synnyttämistavan perusteella tarkasti yhtä pitkät puolijaksot ja koska virran I etumerkki kahdessa peräkkäisessä puolijaksossa on erilainen, eliminoituu Iq ja siten myös nol1ajännitteen Uq vaikutus integroimalla yli suunnanvaihtosignaalin A tai B parillisen jaksolukumäärän tai integroimalla yli riittävän pitkän ajan .

Lataus, joka jatkuvasti virtaa kondensaattoriin C jokaisen parittoman puolijakson aikana virralla i +1 /2+1 napavaih-tokytkimen 5 kautta, vedetään siitä jatkuvasti pois pienissä, vakioissa, tarkoin määritetyissä latausmäärissä Q =

H

I /f kytkemällä vakiovirtalähde 10 luovuttamalla samalla suorakulmanmuotoinen impulssi kvanttia kohti D-kiikun 7 Q-ulosmenossa. Lataus, joka viedään pois jatkuvasti kondensaattorista C jokaisen parillisen puolijakson aikana virral- : la i -I /2-1 napavaihtokytkimen 5 kautta, viedään siihen

I HR O

takaisin jatkuvasti pienissä, vakioissa, tarkoin määritetyissä latausmäärissä Q kytkemällä vakiovirtalähde 10 niin, ..... R

että kondensaattorin C kokonaislatausvirta vastaa suunnan-- - virtaa (i -I /2-1 )+ID = i +1 /2-1 , jolloin myös tällä ker- taa luovutetaan jälleen samanaikaisesti suorakulmainen impulssi kvanttia kohti D-Flip Flop 7:n Q-ulosmenossa. Jokainen tällainen impulssi on siten mitta pienelle, tarkoin mää- • ritetylle latauskvantille, joka referenssivirran I avulla

R

- otetaan kondensaattorista C pois tai viedään siihen takai sin. Kondensaattorin C napavaihdon vuoksi on latausvirran

i +1 /2+1 napaisuus muuttumaton ja siten otetaan konden-*** H R — O

14 87280 saattorissa C vielä jaksottaisen napavaihdon aikana jäljellä oleva jännöslataus huomioon seuraavassa puolijaksossa oikealla napaisuudella niin, että ei voi syntyä mitään ulosmeno-taajuuden modulointia jännöslatauksen vuoksi.

Integroinnin ja komparaattorin 6 avulla tuotettu D-kiikun 7 ulosmenosignaali F muodostuu suorakulmaisista impulsseista.

Näiden impulssien keskimmäinen taajuus on verrannollinen

summavirtaan i +1 /2 ja siten vakio taajuuden f /2 liian HR R

suuri, kun taajuus f /2 esittää taajuutta, joka vastaa refe-renss i s ignaal in U /2 tai 1/2 arvoa. Taajuus f /2 on myös tahtisingaalin P suorakulmaisten impulssien taajuus. Laitteen sellaisen ulosmenotaajuuden saamiseksi, joka on verrannollinen vain signaalivirtaan i ja siten myös verrannolli- nen vain signaaliin u , täytyy siten vielä ulosmenosignaalin

H

F taajuudesta f vähentää tahtisignaa1in P vakio referenssi-F

taajuus f /2. Tämä tapahtuu ulosmenotaajuusjakajan 8 muodos-R

sa laitteen ulosmenossa olevan eteenpäin/taaksepäin-laskijan avulla laskemalla siellä D-kiikun 7 ulosmenosignaali F impulssit eteenpäin ja tahtisignaalin P vastaavat taaksepäin. Samanaikaisesti jakaa ulosmenotaajuusjakaja 8 vielä taajuuseron f -f /2 luvulla k. Ulosmenotaajuusjakajan 8 rakenne on r R

nähtävissä kuvasta 5.

Kuvassa 5 esitetty ulosmenotaajuusjakaja 8 muodostuu ehdot-. : tomasta TAI-portista 23, ensimmäisestä JA-portista 24, en simmäisestä laskijasta 25, ensimmäisestä kiikusta 26, toisesta kiikusta 27, kolmannesta kiikusta 28, toisesta JA-portista 29, kolmannesta JA-portista 30a, neljännestä JA-por-tista 30b, viidennestä JA-portista 30c, ensimmäisestä in-vertteristä 30d, toisesta invertteristä 31, kolmannesta in-.·. vertteristä 32, kuudennesta JA-portista 33 ja toisesta las kijasta 34. Ensimmäinen laskija 25 on binäärinen ylös/alas-laskuri, joka esim. laskee ylös, kun sen U/D-sisäänmenossa on logiikka-arvo "1", ja alas, kun sen U/D-sisäänmenossa on logiikka-arvo "0". Kaikki kiikut 26-28 ovat esim. D-kiikku-

Ja-

II

is 87280 JA-portti 33 ja laskija 34 muodostavat yhdessä monos tabii1in multivibraattorin 35. Laskijan 25, kiikun 26 ja kiikun 27 tahtisisäänmenoja ohjataan esim. positiivissuuntaisilla kyl-jillä ja kiikun 28 ja laskijan 34 tahtisisäänmenoja negatii-vissuuntaisi1la kyljillä. Kiikku 28, JA-portti 30a ja mono-stabiili multivibraattori 35 muodostavat tyhjäkäynti-este-kytkennän 28; 30a; 35, jolla on merkitystä erikoisesti käy tettäessä laitetta sähkölaskijassa.

Ulosmenotaajuusjakajan 8 ensimmäinen signaa1isisäänmeno on yhdistetty suppean TAI-portin 23 ensimmäiseen sisäänmenoon ja sitä ohjataan D-kiikun 7 ulosmenosignaali1la F. Sen toinen signaa1isisäänmeno on viety ehdottoman TAI-portin 23 toiseen sisäänmenoon, laskijan 25 U/D-sisäänmenoon ja kiikun 27 D-sisäänmenoon. Sitä ohjataan f /2 taajuisella tahti-

H

signaalilla P. Ulosmenotaajuusjakajan 8 ensimmäinen tahtisi-säänmeno on yhdistetty JA-portin 24 ensimmäiseen sisäänmenoon ja invertterin 32 kautta JA-portin 29 ensimmäiseen sisäänmenoon. Sitä syötetään tahtisignaali11 a L taajuudella f . Sen toinen tahtisisäänmeno on viety JA-portin 33 ensim-

R

mäiseen sisäänmenoon ja sitä syötetään tahtisignaali11a T

taajuudella f /128. Sen kolmas tahtisisäänmeno on yhdistetty R

kiikun 26 tahtisisäänmenoon ja sitä ohjataan tahtisignaali1- la Y taajuudella 2f .

R

Keskenään ovat yhdistetyt: ; ' - ehdottoman TAI-portin 23 ulosmeno JA-portin 24 toiseen sisäänmenoon, jonka ulosmeno on yhdistetty laskijan 25 tahtisisäänmenoon, : - laskijan 25 "Carry-out"-ulosmeno CO kiikun 26 D-sisään- : : : menoon, jonka Q-ulosmeno on viety JA-portin 29 toiseen si- • : : säänmenoon, kiikun 27 tahtisisäänmenoon ja kiikun 28 tahti- s i säänmenoon, : - JA-portin 29 ulosmeno JA-portin 30a ensimmäiseen sisään- menoon, laskijan 25 lataussisäänmenoon PE ja laskijan 34 pa-lautussisäänmenoon RE, 16 87280 - kiikun 27 Q-ulosmeno laskijan 25 rinnakkaissisäänmenoi-hin P1-P4 ja JA-portin 30b ensimmäiseen sisäänmenoon sekä invertterin 31 kautta laskijan 25 rinnakkaissisäänmenoon P5 ja invertterin 30d kautta JA-portin 30c ensimmäiseen sisäänmenoon , - kiikun 28 Q-ulosmeno JA-portin 30a toiseen sisäänmenoon, jonka ulosmeno on viety kulloinkin JA-porttien 30b ja 30c toiseen sisäänmenoon, ja JA-portin 33 ulosmeno laskijan 34 tahtisisäänmenoon, jonka Q^-ulosmeno on viety JA-portin 33 toiseen sisäänmenoon ja kiikun 28 invertoivaan palautussisäänmenoon.

Kiikun 28 D-sisäänmenossa on logiikka-arvo "1". JA-porttien 30b ja 30c ulosmenot muodostavat ulosmenotaajuusjakajan 8 molemmat ulosmenot, jolla signaalit M ja ovat olemassa.

Koska laskija 25 ei voi samanaikaisesti laskea ylös ja alas, täytyy kaikki ulosmenosignaalin F ja tahtisignaalin P impulssit, jotka esiintyvät samanaikaisesti u1osmenotaajuusja-kajan 8 molemmissa signaalisisäänmenoissa, eliminoida ehdottoman TAI-portin 23 avulla. Tällä ei ole mitään negatiivista vaikutusta laskijan 25 laskuarvoon, koska yksi ylös ja yksi alas laskeva impulssi joka tapauksessa antaisi laskuarvon nolla.

. Ehdottoman TAI-portin 23 ulosmenossa esiintyy vain logiik ka-arvo "1", kun molemmat signaalit F ja P ovat erilaisia. JA-portti 24 toimii impulssimuuntimena, joka pienentää ehdottoman TAI-portin 23 ulosmenoimpulssien impulssikeston : tahtisignaalin L vastaavaksi. Kuvassa 4 on esitetty tahti- signaalin P ajallinen kulku viidennellä rivillä, ehdottoman TAI-portin 23 ulosmenosignaalin S vastaava kuudennella rivillä ja JA-portin 24 ulosmenosignaalin W vastaava seitse-: männellä rivillä. Tahtisignaali P ja ulosmenosignaali W on .··.·. kumpikin ohjattu ulosmenotaajuusjakajan 8 1 isäulosmenoihin.

Laskija 25 laskee JA-portin 24 ulosmenoimpulssit eteenpäin, kun tahtisignaalilla P, joka esiintyy U/D-sisäänmenollaan, 87280 on logiikka-arvo "1", ja taaksepäin, kun tahtisignaali11a P on logiikka-arvo "O". Laskijan 25 negatiivis suuntaiset impulssit sen ulosmenossa CO siiretään tahtisignaalin Y seu-raavalla positiiviissuuntaise 11 a kyljellä kiikkuun 26 ja esiintyvät siten aina hieman viivästyneinä positiivisina impulsseina kiikun 26 Q-ulosmenossa. Niiden impulssikestoa rajoitetaan seuraavassa JA-portissa 29 invertoivan tahtisignaalin L avulla sen impulssien kestoisiksi, t.s. JA-portti toimii myös impulssimuuntimena. Koska kohinan tai signaalin

u ajoittain vaihtelevan napisuuden vuoksi laskemissuunta H

voi ohimenevästi muuttua, ei laskijan 25 alkulaskuarvoa valita kuten tavallista yhtä suureksi kuin 0 = 00000 ylös laskettaessa tai meidän esimerkissämme yhtä suureksi kuin maksimiarvo 31=11111 alas laskettaessa, vaan asetetaan likimain laskemisalueen keskelle, nimittäin esim. arvoon 16=10000, kun aiemmin saavutettiin tilanne 00000 alas laskettaessa (P="0"), tai arvoon 15=01111, kun aiemmin saavutettiin tilanne 11111 ylös laskettaessa (P="l"). Tämä tapahtuu siirtämällä kiikku 26 ulosmenoimpulssin jokaisella positiivissuun-taisella kyljellä juuri esiintyvä tahtisignaalin P logiikka-arvo kiikkuun 27, jonka vuoksi sen Q-ulosmenolla on laskijan 25 rinnakkais-latausvaiheen valmistelua varten tilanteessa P="0" binääriluku 10000=16 tai P="l" binääriluku 01111=15 asetettuna laskijan 25 rinnakkaissisäänmenoihin P5, P4, P3, P2, P1. JA-portin 29 jokainen ulosmenoimpulssi lataa lataussisäänmenon PE avulla tämän alkuarvon laskijaan 25 ja ,1 asettaa samanaikaisesti palautussisäänmenon RE avulla laski jan 34 nollaan takaisin. Laskijan 25 lataustapahtuma antaa uusittuna logiikka-arvon "1" ilmestyä sen ulosmenoon CO, ; joka, jälleen aina hieman viivästyneenä, siirretään kiikkuun 26 ja siten lopetetaan positiivinen impulssi sen Q-ulosme-: : : nossa. Siten loppuu myös JA-portin 29 ulosmenosignaali. Jos kiikku 28 ei vielä ollut ladattu logiikka-arvolla "1", tapahtuu tämä nyt ulosmenoimpulssin negatiivissuuntaise11a kyljellä kiikun 26 Q-ulosmenossa, minkä kautta kiikun 28 Q-ulosmeno vapauttaa nyt JA-portin 30a. Mutta koska samalla, kuten jo mainittu, JA-portin 29 ulosmenoimpulssi päättyy, ei ia 87280 tämä ulosmenoimpulssi saavuta enää ulosmenotaajuusjakajan 8 ulosmenoja, koska JA-portti 30a sitä varten vapautetaan liian myöhään. Laskijan palautus JA-portin 29 ulosmenoim-pulssilla edellyttää, että laskijan 34 Q-ulosmeno ottaa logiikka-arvon "1", joka vapauttaa JA-portin. Kun JA-portin 29 ulosmenoimpulssi on loppunut, alkaa laskija 34 laskea suorakulmaisen tahtisignaa1 in T impulsseja. Jos JA-portin 29 ulosmenoimpulssi ei väliaikana palauta laskijaa 34 nollaan, silloin se laskee niin kauan, kunnes logiikka-arvo "0" esiintyy sen joka puolestaan palauttaa kii kun 28 takaisin nollaan ja joka toisaalta sulkee JA-portin 33 ja siten lopettaa laskijan 34 laskutoiminnan. Logiikka-arvo "0" ilmestyy laskijan 34 Q^-ulosmenol le tahtisignaalin T keston 128/fD 21^ ^ = 211 jakson jälkeen, t.s. 21®/f_ se- ^ X 0 ° Θ kunnin jälkeen, mikä f = 2 Hz:llä antaa keston 2 =

R

256 sekuntia.

Tyhjäkäynti-estokytkentä 28; 30a; 35 estää, ettei pitemmän ajan t kuluttua, t.>256 sekuntia, laskijan 25 ulosmenossa CO esiintyvää impulssia viedä edelleen ulosmenotaajuusjakajan 8 ulosmenoihin. Koska 256 sekunnin jälkeen kiikku 28 palautetaan laskijan 34 u1osmenosignaali11 a takaisin nollaan, on JA-portti 30a suljettu jokaiselta ensimmäiseltä impulssilta.

Normaalikäytännössä kun signaali u on laitteen sisäänme-

H

nossa, ei siis kiikun 26 Q-ulosmenossa esiintyvää ensimmäi-• stä positiivista impulssia johdeta edelleen ulosmenotaajuus- .. jakajan 8 ulosmenoihin (aioitusvirhe), mutta sen negatiivis- suuntainen kylki lataa logiikka-arvon "1" kiikkuun 28, jonka Q-ulosmeno siten vapauttaa JA-portin 30a, ja lisäksi kaikil-’ le seuraaville impulsseille. Jälkimmäinen on ehtona sille tosiasialle, että jokainen JA-portin 29 uusi ulosmenoimpuls-: si palauttaa laskijan 34 ennen 256 sekunnin kulumista jäl leen takaisin nollaan. Täten pakotetaan laskija 34 yhä uu-; delleen aloittamaan laskutoiminta nollasta niin, että lo- giikka-arvo "0" ei koskaan esiinny sen Q^ 2-ul°smenossa ja siten kiikkua 28 ei koskaan paluteta nollaan. JA-portin 30a : '* vapautus kestää siten niin kauan, kunnes yhtään impulssia ei i9 87280 256 sekunnin kuluttua enää esiinny. Laskijan 25, 26:n, JA- portin 29 ja JA-portin 30a ulosmenoimpulssien keskitaajuus on tässä tapauksessa verrannollinen signaa1ivirtaan i ja n siten myös verrannollinen signaaliin u .

H

Sitävastoin tyhjäkäynnissä, kun mitään signaalia u„ ei lait-teen sisäänmenossa ole, on mahdollista, että hyvin pienten häiriösignaalien integrointi hyvin pitkän ajan yli lopulta myös tuottaa impulssin JA-portin 29 ulosmenoon. Tämä ei saavuta kuten kaikki ensimmäiset impulssit ulosmenotaajuusjakajan 8 ulosmenoja, koska JA-portti 30a on suljettu. Myöskään kaikki seuraavat tyhjäkäynti-impu1ssit eivät saavuta näitä ulosmenoja, koska niiden ajallinen etäisyys toisistaan ja ensimmäiseen impulssiin on aina suurempi kuin 256 sekuntia.

T. s. laskijalla 34 on joka kerta, ennenkuin impulssi palauttaa sen nollaan, riittävästi aikaa antaa logiikka-arvon "0" ilmestyä sen Q^2_ul°sni,enoon» joka joka kerta palauttaa hyvin 28:n nollaan ja siten joka kerta ajallisesti ennen seuraavan impulssin ilmestymistä sulkee JA-portin 30a.

Kiikun 27 ulosmenosignaali osoittaa, mikä napaisuus signaalilla u on. Signaalin u positiivisilla arvoilla vapauttaa H H

se JA-portin 30b niin, että JA-portin 30a ulosmenosignaali saavuttaa signaalina M JA-portin 30b ulosmenon. Signaalin u rl negatiivisilla arvoilla vapauttaa se sitävastoin JA-portin 30c niin, että JA-portin 30a ulosmenosignaali saavuttaa tällä kertaa singaalina JA-portin 30c ulosmenon.

Sähkölaskijan tapauksessa on u verrannollinen u .i :ään,

rl NL

; | ; jolloin u on energiahuoltoverkon verkkojännite ja iT kuor-

N L

mitusvirta. Kuvassa 6 esitetty sähkölaskija muodostuu napa-: - vaihtokytkimestä 1, kertojasta 36, ja selostetusta kytken nästä 2, vapaaehtoisesta 1isälaajuusjakajas ta 37, jakokyt-kennästä 38, askelmoottorista 39, osoittimesta 40 ja valo-diodilla symbolisoidulla optisella leikkauskohdalla.

Verkkojännite u ^ saavuttaa kaksinapaisena napavaihtokytkimen 1 sisäänmenon ja kytkennän 2 sen sisäänmenon, jota tulee 20 8 7 2 8 0 syöttää vaihto-ohjausjännitteellä N. Kuormitusvirtaan i

L

verrannollinen jännite u saavuttaa kaksinapaisena kertojan L* 36 ensimmäisen sisäänmenon, kun taas napavaihtokytkimen 1 ulosmeno on kaksinapaisesti kytketty sen toiseen sisäänme-noon. Kertojan 36 ulosmeno on viety kaksinapaisesti kytkennän 2 signaalisisäänmenoon, jolloin yksi napa lepää massassa .

Keskenään ovat yhdistetyt: - kytkennän 2 ulosmeno 22a taajuusjakajan 37 tahtisisään-menoon ja jakokytkennän 38 palautussisäänmenoon, - kytkennän 2 ulosmeno 21 jakokytkennän 38 tahtisisäänmenoon , - taajuusjakajan 37 ulosmeno jakokytkennän 38 signaalisi-säänmenoon ja - kytkennän 2 ulosmeno, jolla on vaihtokytkentäsignaa1i A tai B, napavaihtokytkimen 1 ohjaussisäänmenoon.

Jakokytkennän 38 kaksinapainen ulosmeno on yhdistetty askel-moottorin 39 sähköliittimiin, joka mekaanisesti käyttää osoitinta 40. Jakokytkennän 38 yksi lisäulosmeno on yksina-paisesti yhdistetty valodiodin katodiin, jonka anodi lepää positiivisella syöttötasajännitteellä . Jos sähkölaskuja mittaa vain positiivista energiaa, ei kytkennän 2 sig-naa1iulosmeno 22b ole liitettävissä. Sen sijaan, että napa-. vaihtokytkin 1, kuten kuvassa 6 on esitetty, kytketään ker- • *· tojan 36 eteen, voidaan se myös kytkeä kertojan 36 jälkeen.

Molemmissa tapauksissa on kytkennän 2 sisäänmenosignaali

verrannollinen tuotteeseen +u„, .iT . Kertoja 36 on esim. kai-. . -NL

. kuelementti. Taa juus j aka ja 37 on esim. ohjelmoitava.

Napavaihtokytkin muuntaa kuvan 6 mukaisesti verkkojännitteen u^ jaksottain napavaihdelluksi jännitteeksi + u^, joka kertojassa 36 kerrotaan jännitteellä u niin, että kytkennän 2

L

sisäänmenossa syntyy jännite +UN joka on verrannollinen

tuotteeseen +u .i ja siten verrannollinen sähkötehoon. Jän-N L

nite +u integroidaan kytkennässä 2 ulosmenotaajuuden muo- Π 21 87280

dostamista varten, joka on verrannollinen sähkötehoon. Kytkennän 2 ulosmenossa 22a esiintyvän suorakulmaisen impulssin taajuus jaetaan taajuusjakajassa 37 vapaaehtoisesti luvulla h, ja näin saadut suorakulmaiset impulssit valmistellaan ajan ja jännitteen suhteen seuraavassa jakokytkennässä 38 tunnetulla tavalla siten, että ne voivat ohjata askelmootto-ria 39. Jokaisessa impulssivastaanotossa kytkee askelmootto-ri 39 yhden askelen eteenpäin. Ennalta annetun askelmäärän, esim. 300 askelta, jälkeen lisääntyy osoittimen 40 osoittama arvo yhdellä. Sähkömekaanisen osoituksen 40 sijasta voidaan käyttää myös täysin elektronista valodiodi- tai nestekris-talliosoitusta. Tässä tapauksessa voivat askelmoottori ja jakokytkentä 38 jäädä pois ja näiden sijasta täytyy käyttää lisätaajuusjakajaa, jolla on varaaja, jota ei voida menettää. Valodiodi puolestaan vilkuttaa esim. signaalin M

impulssien tahdissa ja voidaan käyttää hyväksi niiden im-pulssitaajuuden optisessa mittaamisessa.

Kuvan 1 esittämän kytkennän 2 sisäänmeno-osa rakennetaan suositulla monolyyttisesti integroidulla rakenteella kuten kuvassa 7 on esitetty. Erikoisesti jännite/virta-muuntimen 3 ja vakiovirtalähteiden 10 ja 15 rakenne on esitetty yksityiskohtaisesti, kun taas kytkennän 2 muuhun sisäänmeno-osaan on vain viitattu. Molemmat vakiovirtalähteet 10 ja 15 sekä jännite/virta-muuntimessa 3 olevat virtalähteet muodostuvat kukin operaatiovahvistimesta, kenttätehotransistorista ja ainakin yhdestä vastuksesta, jolloin vastuksen arvo määrää kulloinkin virtalähteen ulosmenovirran arvon. Tällaisten tarkkuusvirtalähteiden rakenne on itse asiassa tunnettu kirjasta Advanced Electronic Circuits, Tietze ja Schenk, Springer Verlag, 1978, sivut 57-63. Kolme kuvassa 7 käytetyistä vakiovirtalähteistä tarvitsee yhteisen vakiojän-nitelähteen 41 esim. 1,235 volttia, jonka positiivinen napa : on positiivisella syöttö tasa j änn i t tee 11 ä ja jonka nega tiivinen napa on yhdistetty kunkin kolmen operaatiovahvistimen 42, 43 ja 44 ei-invertoivaan sisäänmenoon. Vakiovirta- lähteen 10 muodostaa operaatiovahvistin 42, jonka ulosmeno

22 8 7 2 b O

on viety kenttätehotransistor in 45 Gate-1ii11imeen, kun taas kenttätehotransistorin 45 toinen liitin on suoraan yhdistetty operaatiovahvistimen 42 invertoivaan sisäänmenoon ja vastuksen 46 kautta positiiviseen syöttötasajännitteeseen V . Kenttätehotransistorin 45 kolmas liitin muodostaa vakiovir- talähteen 10 ulosmenon ja toimittaa referenssi virran I .

R

Vakiovirtalähteen 10 ulosmeno on viety vaihtokytkimen 9 kautta napavaihtokytkimen 5 ulosmenonapaan sekä kondensaattorin C yhteen napaan. Vakiovirtalähteen 15 muodostaa operaatiovahvistin 43, kenttätehotransistori 47 ja vastus 48. Jännite/virta-muunnin 3 käsittää vakiovirtalähteen 49 ja kaksi virtalähdettä 50 ja 51. Vakiovirtalähteen 49 muodostaa operaatiovahvistin 44, kenttätehotransistori 52 ja vastus 53. Virtalähteen 50 muodostaa operaatiovahvistin 54, kenttätehotransistori 55 ja vastus 56, kun taas virtalähteen 51 puolestaan muodostaa operaatiovahvistin 57, kenttätehotransistori 58 ja vastus 59.

Virtalähteiden 15, 49, 50 ja 51 rakenne on identtinen vakio-virtalähteen vastaavan kanssa, kuitenkaan ei kenttätehotransistorin 55 toinen liitin ole yhdistetty vastuksen 56 kautta positiiviseen syötötasajännitteeseen VD^, vaan massaan ja kenttätehotransistorin 58 vastaava vastuksen 59 kautta negatiiviseen syöttötasajännitteeseen -|V |, positiivisen syöt-

O O

tötasajännitteen V asemasta. Kytkennän 2 ei massasta oleva sisäänmenonapa ja vakiovirtalähteen 49 ulosmeno on viety ' kulloinkin operaatiovahvistimen 54 tai 57 ei-invertoivaan sisäänmenoon. Operaatiovahvistimen 57 ei-invertoiva sisäänmeno on viety sisäpaitsi vastuksen 60 kautta negatiiviselle syöttötasajännittelle -|V |. Vakiovirtalähteen 15 ulosmeno . b b toimittaa puolen referenssivirran 1/2 ja on yhdistetty ope-

R

' ‘ · raatiovahvistimen 54 invertoivaan sisäänmenoon, kun taas virtalähteen 50 ulosmeno on viety operaatiovahvistimen 57 invertoivaan sisäänmenoon. Virtalähde 50 toimii jännite/vir- t.n-inuuri 1.1 meno , jok.» muuntua j iinn i t teenä olevan signaalit» tv»

— H

verrannolliseksi virraksi + i , joka virtaa vastuksessa 56 ja

— H

kenttägehotransistorissa 55 vähennetään puolesta referenssi- 23 87280

virrasta 1/2, jonka vakiovirtalähde 15 toimittaa. Tämä ero-H

virta I /2*+i virtalähteen 50 ulosmenossa vähennetään virta-R H

lähteessä 51, joka tuottaa vastuksessa 59 referenssivirran

I , tästä referenssivirrasta I niin, että virtalähteen 51 R R

ulosmenossa ja siten myös jännite/virta-muuntimen 3 ulosmenossa syntyy vaadittu virta +i +1 /2.

— H H

Virtalähteen 51 ulosmeno ja massa muodostavat yhdessä jänni-te/virta-muuntimen 3 kaksinapaisen ulosmenon ja on liitetty napavaihtokytkimen 5 kaksinapaiseen sisäänmenoon.

Kuvassa 8 esitetty laitteen neljäs vaihtoehto on rakenteeltaan lähes samanlainen kuin kuvassa 2 esitetty toinen vaihtoehto, vain että vakiojännitelähde 16 on korvattu säätäjällä 61; 62; 63; 64 jännitelähteenä. Säätäjän 61; 62; 63; 64 uiosmenojännite U /2-U korvaa tällöin vakiojännitelähteen

n O

16 referenssisignaalin U /2 ja on sama kuin jännite/virta-

R

muuntimen 3 no11ajännitee1lä Uq pienennetty referenssijännite U /2. Säätäjän 61; 62; 63; 64 muodostaa ehdoton TAI-port-R

ti 61, y lös/alas-1askuri 62, muisti 63 ja digitaa 1i/ana-logi-muunnin 64, jotka ovat tässä järjestyksessä kytketyt kaskadiin, jolloin ylös/alas-laskurin 62 ja muistin 63 väliin yhtäältä ja muistin 63 ja digitiaali/analogi-muuntimen 64 väliin toisaalta on kumpaankin sijoitettu Datenbus-yhdis-tys. Kytkennän 4 ulosmeno, jolla on vaihtokytkentäsignaali A tai B, on yhdistetty ehdottoman TAI-portin 61 ensimmäiseen sisäänmenoon ja muistin 63 tahtisisäänmenoon. Kytkennässä 4 olevat signaalit W ja P (katso kuvaa 1) on tässä neljännessä vaihtoehdossa viety lisäksi ylös/alas-laskurin 62 tahtisi-säänmenoon tai ehdottoman TAI-portin 61 toiseen sisäänmenoon (katso kuvaa 8). Ehdottoman TAI-portin 61 ulosmeno on yhdis-' - tetty ylös/alas-laskurin 62 "Up/Down"-sisäänmenoon U/D.

Toisessa vaihtoehdossa mitätöidään vain no 11ajännitteen Uq .···. vaikutuksen keskiarvo laitteen u losmenotaaj uuteen. Neljän

nessä vaihtoehdossa eliminoidaan sitävastoin vielä lisäksi nollajännitteen Uq aiheuttama laitteen ulosmenosignaalien M

24 8 7 2 8 0 ja taajuusmodulaatio. Ylös/alas-laskuri 62 (katso kuvaa 8) toimii samoin kuin laskija 25 ulosmenotaajuusjakajassa 8 (katso kuvaa 5) sillä erotuksella, että ylös/alas-laskurin 62 laskemissuunta, kiitos ehdottoman TAI-portin 61 olemassaolon, parillisten puo1ijaksojen aikana on päinvastainen sille, joka pätee vaihtokytkentäsignaalin A tai B parittomien puolijaksojen aikana. Parittoman puolijakson aikana antaa ylös/alas-laskurin 62 laskeminen laskuarvon (f -f )*T/2 ja

H O

parillisen puolijakson aikana laskuarvon -(f -f )'T/2 niin,

H O

että vaihtokytkentäsignaalin A tai B koko jakson T aikana saadaan laskuarvo (f +f )'T/2. (f -f )'T/2 = 2f_.T/2 = f .T.

HU HO U U

Tällöin on f taajuuden f se osa, joka vastaa signaalia u , Hr H

ja f taajuuden f se osa, joka vastaa nollajännitettä U . Laskuarvo .T on siten verrannollinen nollajännitteeseen Uq. Se varataan jokaisen jakson T jälkeen vaihtokytkentäsignaalin A tai B positiivissuuntaisilla kyljillä muistin 63, tullakseen välittömästi digitaali/analogi-muuntimen 64 avulla muunnetuksi analogiikka-arvoksi. Säätöpiirin 17; 3; 4; 61; 62; 63; 64 sisään heilahtaneessa tilassa on tämä analo- giikka-arvo digitaali/analogi-muuntimen 64 ulosmenossa yhtä

kuin U /2-U Digitaa 1i-/ana 1ogi-muuntimen 64 analogiulos-R O

meno on yhdistetty yhteenlaskuelimen 17 ensimmäiseen sisään-menoon. Jännite/virta-muuntimen 3 ulosmenovirta on siten kuten vaadittu verrannollinen summajännitteeseen • · +u -U /2-U +U = +u +Ud/2, jolloin toinen nollajännite U on viety jännite/virta-muuntimen 3 kautta kytkennän sisään. Jännite/virta-muuntimen 3 ulosmenovirrassa ei siten ideaalisesti ole enää olemassa mitään nollajännitteen Uq osaa.

Claims (12)

87280 25

1. Menetelmä sähköisen signaalin (u ) muuntamiseksi verran- Π nolliseksi taajuudeksi (f ) vaihtamalla jaksottain signaalin (+u) napaa, integroimalla jaksottain napavaihdeltu signaali H (+u ) kondensaattorissa (C), tarkkailemalla näin saatua H integroitua signaalia tarkoituksella ohjata vakio referenssi- virran (I ) päälle- ja poiskytkemistä kynnysarvon ylityksen R tai alituksen tapahtuessa tuottaen samanaikaisesti suorakulmaisia ulosmenoimpulsseja, jolloin referenssi virta (IR) kulloinkin ottaa vakio varausmäärän (Q) kondensaattorista (C) pois tai vie siihen, tunnettu siitä, että ennen integrointia jaksottain napavaihdeltuun signaalin (+_u^) verrannolliseen signaaliin (+u„+i„) lasketaan yhteen vakio refe- renssisignaali (U /2, 1/2), jonka arvo vastaa referenssivir- R R ran (I ) puolta arvoa, että seuraavaksi näin saatuun summa-R signaaliin (+u„+U /2, +iu+ID/2) verrannollinen virtasignaali — HR “"HR (+i +1 /2) napavaihdellen synkronisesti signaalin (u ) jak-HR O sottaisen napavaihtelun kanssa, samoin synkronisesti tullakseen sitten integroiduksi ja että näin saatujen suorakulmaisten ulosmenoimpulssien taajuudesta välittömästi vielä vähennetään vakio referenssitaajuus (f /2), joka vastaa referens- sisignaalin (U /2, I_/2) arvoa. R H

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että referenssisignaali (UD/2) on tasajännite, joka lisätään jaksottain napavaihdeltuun signaaliin (,+ u^), ja että · · - seuraava jännite/virta-muuntaminen muuntaa summasignaalin (+utI + U_/2) verrannolliseksi v i r tas ignaa 1 iks i (,+.i „+1 _/2 ) . --“HR HR

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu :·.: siitä, että tasajännite on jännite/virta-muuntimen (3) nolla- jännitteellä (Uq) pienennetty jännite (Ur/2-Uq). ' _

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että referenssisignaali (1/2) on tasavirta, joka R 26 87280 jaksottaisesti napavaihdellun signaalin (+u ) jännite/virta- H muuntamisen jälkeen lisätään näin saatuun verrannolliseen virtas ignaal i in (+_i^) tarkoituksella muodostaa summasignaa- liin (+u +U /2) verrannollinen virtasignaali (+i +1 /2). ** π n HR

5. Laite yhden patenttivaatimuksen 1-4 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, jossa on ainakin yksi ensimmäinen napavaih-tokytkin (1), sen jälkeen kytketty integraattori (3; C), joka sisältää kondensaattorin (C), integraattorin (3; C) jälkeen kytketyn komparaattorin (6), joka valvoo integroitua signaalia (up) , komparaattorin (6) jälkeen kytketty kiikku (7), kiikku (7):n ohjaama vaihtokytkin (9), joka toimii refe-renssivirran (I ) päälle- ja poiskytkemiseksi , vakiovirtaläh- de (10), joka toimittaa referenssivirran (I ), ohjauskytkentä R (13; 14 tai 11; 12) jaksottaisen vaihtokytkentäsignaalin (A tai B) tuottamiseksi napavaihtokytkintä (1) varten ja signaalilähde (16, 61; 62; 63; 64, 15), tunnettu siitä, että signaalilähde (16, 61; 62; 63; 64, 15) on sijoitettu integraattorin (3; C) sisäänmeno-osaan ja toimii referenssi- signaalin (U_/2, U /2-U , 1/2) tuottamiseksi, että toinen R H O R napavaihtokytkin (5), jota ohjaa sama vaihtokytkentäsignaali (A, B) kuin ensimmäistä napavaihtokytkintäkin (1), on sijoitettu integraattorissa (3; C) olevien jännite/virta-muuntimen (3) ja kondensaattorin (C) väliin, ja että laitteen ulosme-; ·.· nossa on eteenpäin/taaksepäin-laskija vakio referenssitaajuu- den (f /2) vähentämiseksi. • · R .

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että signaalilähde (15, 16) on jännitelähde ja on varustettu yhteenlaskijalla (17) jännite/virta-muuntimen (3) sisäänmenossa.

·· 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu • siitä, että jännitelähde on vakiojännitelähde (16) tai säätä- _ jä (61; 62; 63; 64), jonka muodostaa ehdoton TAI-portti (61), ylös/alas-laskuri (62), muisti (63) ja digitaali/analogia-muunnin (64). 27 87280

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että signaalilähde (15) on vakiovirtalähde ja sijoitettu jännite/virta-muuntimen (3) ulosmenoon.

9. Yhden patenttivaatimuksen 5-8 mukainen laite, tunnet- t u siitä, että ulosmenotaajuusjakajan (8) muodostaa ainakin yksi ehdoton TAI-portti (23), laskija (25), kaksi kiikkua (26, 27) ja kaksi JA-porttia (24, 29), jolloin laskija (25) on ylös/alas-laskuri .

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että ulosmenotaajuusjakajassa (8) on tyhjäkäynti-esto-kytkentä (28; 30a; 35), jonka muodostavat monostabiili multi-vibraattori (35), kiikku (28) ja yksi JA-portti (30).

11. Yhden patenttivaatimuksen 5-10 mukainen laite, t u n - ne t t u siitä, että jännite/virta-muunnin (3) sisältää kolme virtalähdettä (49, 50, 51), jokaisen virtalähteen (10, 15, 49, 50, 51) muodostuessa operaatiovahvistimesta (42, 43, 44, 54, 57), kenttätehotransistorista (45, 47, 52, 55, 58) ja ainakin yhdestä vastuksesta (46, 48, 53, 56, 59).

12. Sähkön laskija, jossa on ainakin yksi yhden patenttivaatimuksen 5-11 mukainen laite. 28 87280