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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der einer Umsetzungsvorrichtung
eingangsseitig zugeführten Wechselspannung, wobei die Umsetzungsvorrichtung Wechsel-
und Gleichspannungen mit einem gleichen Umsetzungsfaktor umsetzt, durch ein elektrisches
Kontrollsignal einstellbar ist und ihre Ausgangsspannung nach Gleichrichtung in
einer Gleichrichtervorrichtung einem Vergleichskreis nim Vergleichen mit einem Referenzsignal
zugeführt wird, wobei das resultierende Differenzsignal einem Verstärker mit großer
Verstärkung zugeführt wird, der das Kontrollsignal zur Einstellung des Umsetzungsfaktors
abgibt, so daß das Differenzsignal annähernd Null wird.
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Derartige Me#kreise sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt.
Die üblichsten Kreise dieser Art sind mechanisch gesteuert und umfassen mechanisch
bewegliche Teile wie zwei mit Motor-angetriebene Potentiometer auf ein.'er- gemeinsamen
Welle mit demselben Teilungsverhältnis in jeder Stellung. Dem einen Potentiometer
wird ein unbekanntes Wechselspannungssignal und dem anderen ein bekanntes Gleichspannungssignal
zugeführt. Der Motor wird im Verhältnis zu einer Referenzspannung geregelt, bis
zwischen Eingangssignal und Referenzsignal Gleichgewicht erreicht ist. Eingestelltes
Teilungsverhältnis oder eingestellter Wert des Umsetzungsfaktors, Verstärkung oder
Widerstand können dann mit Hilfe des anderen Potentiometers, dem das bekannte Gleichspannungssignal
zugeführt wird, als elektrisches Signal abgelesen werden.
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Die mechanisch beweglichen Teile eines solchen Kreises machen diesen
kompliziert, setzen seine Betriebssicherheit stark heräb und sind sehr xplatzaufwendig.
Die Anwendung von zwei Potentiometern ergibt außerdem verhältnismäßig große Unsicherheiten
während der Messung.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine einfache und betriebssichere Meßanordnung
der eingangs beschriebenen Art, allein mit elektrischen Komponenten, zu schaffen,
die eine schnelle und direkte Messung des unbekannten Signals ermöglicht und eine
Kreiherstellung mit Hilfe integrierter Kreistechnik zuläßt.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß die Anordnung einerx-zweiten
Vergleiqhskreis enthält, dem ein zweites Referenzsignal zum Vergleichen mit der
von der Ausgangsspannung der Umsetzungsvorrichtung ausgeschiedenen Gleichspannungskomponente
und zur Abgabe eines Differenzsignals zugeführt wird, wobei die Ausgangsgleichspannung
des Verstärkers der Eingangsseite der Umsetzungsvorrichtung zugeführt wird und gleichzeitig
ein Maß für die der Umsetzungsvorrichtung zugeführte Wechselspannung ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin;
da# die einfache und kompakte Anordnung mechanisch bewegliche Teile überflüssig
macht. Der Wert des unbekannten Signals kann gleichzeitig mit seinem Auftreten gemessen
werden. Ferner sind die beiden Potentiometer von einer einzigen Umsetzungsvorrichtung
ersetzt worden, so daß dadurch die Meßungenauigkeiten eliminiert sind.
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Die Wechselspannungs- und Gleichspannungssignale von der Umsetzungsvorrichtung
werden zweckmäßigerweise mit Hilfe von Hoch und Tiefpaßfiltern getrennt; diese Filter
sollen an den Ausgang der Umsetzungsvorrichtung durch einen Entkopplungskreis angeschlossen
sein, um sie in einer solchen Weise von der Umsetzungsvorrichtung zu trennen, daß
das
Teilungsverhältnis für Wechselspannungs- und Gleich spannungssignal dasselbe
wird.
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Die Umsetzungsvorrichtung kann in an sich bekannter Weise ein Verstärker
oder ein Spannungsteiler sein, dessen einer Zweig einen festen Widerstand und dessen
anderer Zweig zwei Klemmen umfaßt, zwischen die ein in Übereinstimmung mit einem
zugeführten elektrischen Steuersignal veränderbarer Widerstand geschaltet ist, wobei
in vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens der veränderbare Widerstand
ein Feldeffekttransistor ist, der mit seinen Senken-und Quellenelektroden zwischen
die Klemmen geschaltet ist und dessen Torelektrode das Kontrollsignal aufnimmt.
Ein solcher Transistor besitzt innerhalb eines gewissen Bereich es zwischen seinen
Senken- und Quellenelektroden einen linearen Widerstand, der durch Änderung der
Torspannung variiert werden kann.
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Es ist nicht notwendig, den Zusammenhang zwischen dem Steuersignal
und dem Umsetzungsfaktor zu kennen, und der eingestellte Umsetzungsfaktor wird durch
direkte Messung mit einem separaten Signal bestimmt; das entweder. durch Frequenz
oder Zeit von dem Steuersignal getrennt sein kann.
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In bevorzugter Weise kann die Gleichrichtervorrichtung ein Effektivwertgleichrichter
sein.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der schematischen
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt F i g. 1
ein Blockschaltbild-einer Ausführungsform des Erfindungsgedankens -und-F i g. -
Zeine - abgeänderte Afüh.uagsmöglichkeit.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 wird angewendet zur Messung
eines zugeführten Wechselspannungssignals durch Umsetzung desselben in ein Gleichspannungssignal,
das zu dem Effektivwert des Wechselspannungssignals proportional ist, selbst wenn
dieser Wertinnerhalb großer Bereiche variiert.
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Man erkennt in F i g. 1 einen elektrischen Kleis, der 5n seinem Eingangskreis
eine variable Umsetzungsvorrichtung in Form eines variablen Spannungsteilers umfaßt,
welcher seinerseits in:- seinem einen-iZweig zwei Klemmen r1 und r2 und in seinem
anderen Zweig einen festen Widerstand R1 umfaßt. Zwischen r1 und r2 ist ein Element
R mit einem- hauptsächlich linearen Widerstand geschaltet, der in Übereinstimmung
mit einem zugeführten Steuersignal q variiert werden kann.
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Zwischen den Spannungsteiler und einen ersten Vergleichskreis mit
zugeführtem Referenzsignal a sind ein Hochpaßfflter H2 und ein -Signalumwandler
D, z. B. in Form eines Effektivwertgleichrichters, geschaltet.
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Der Vergleichskreis ist mit dem Element R durch einen Verstärker B1
mit hoher Verstärkung zur Verstärkung eines ersten Differenzsignals zwischen dem
Ausgangssignal von dem Signalumwandler D und dem Referenzsignal a verbunden. Dieses
verstärkte Differenzsignal wird dann als das Kontrollsignal q dem linearen Widerstand
R zugeführt, -wodurch der Widerstand mit Hilfe des Signals q variiert wird, bis
ein Ab- oder Ausgleich erzielt ist. Ferner umfaßt der Kreis einen Ausgangskreis
mit einem Tiefpaßfilter L1, einen zweiten Vergleichskreis, dem ein Referenzsignal
b zugeführt wird, und einen zweiten Verstärker B2 zwischen Spannungsteiler und Eingangskreis.
Der Verstärker B2 besitzt hohe Verstärkung und verstärkt ein zweites Differenzsignal
zwischen dem Ausgangssignal von dem Filter L1 und dem Referenzsignal b. Dem verstärkten
Differenzsignal wird ein unbekanntes zugeführtes
Wechselspannungssignal
X überlagert; es wird dem Effektivwert des unbekannten Signals proportional, für
den Fall, daß der Signalumwandler D ein Effektivwertgleichrichter ist. So wird das
verstärkte Ungleichheitssignal X1 ein Maß des unbekannten Signals X.
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Das unbekannte Wechselspannungssignal ist dem Spannungsteiler durch
einen weiteren Hochpaßfflter H1 zugeführt, und ein weiterer Tiefpaßfilter L2 ist
zwischen den zweiten Verstärker B2 und den Widerstand R1 des Spannungsteilers geschaltet.
Es ist ein Entkopplungskreis A vorgesehen, um die beiden Filterkreise von dem Spannungsteiler
in einer solchen Weise zu trennen, daß das Teilungsverhältnis für Wechsel- und Gleichspannungssignal
dasselbe wird.
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Der lineare ohmsche Widerstand ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor,
der mit seinen Quellen- und Senkenelektroden zwischen die Klemmen r1 und r2 geschaltet
ist, während die Torelektrode an den Verstärker Bl angeschlossen ist.
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Die Wirkungsweise des Kreises wird jetzt näher erklärt für den Fall,
daß der SignalumwandlerD ein Effektivwertgleichrichter ist: Wenn die Verstärkung
in B1 hoch ist, wird das erste Differenzsignal klein oder vernachlässigbar, und
der Effektivwert des Wechselspannungssignals Q kann als konstant angesehen werden.
Wenn dann das Teilungsverhältnis in dem Spannungsteiler mit oc ; bezeichnet wird,
gilt folgende Gleichung: X-o= a. (1) Gleichieitig wird das zweite Differenzsignal
mit Hilfe von B2 verstärkt und dem Spannungsteiler zugeführt. Da die Verstärkung
in B2 nun hoch ist, wird die Differenz klein, und die Gleichspannungskomponente
von dem Spannungsteiler kann als konstant betrachtet werden. Folgende Gleichung
gilt: X1 = b. (2) Gleichung (1) eingesetzt in (2) ergibt: X kx. a Dies zeigt, daß
zwischen dem Wert des Wechselspannungssignals X und des Ausgangssignals X1 Proportionalität
erzielt worden ist.
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Mittels des beschriebenen Kreises können also Eingang-Wechselspannungssign
ale in Ausgang- Gleichspannungssignale derart umgewandelt werden, daß die Gleichspannungssignale
beispielsweise dem Effektivwert der Wechselstromsignale gleich sind. Für den Fall,
daß andere Signalumwandler als Effektivwertgleichrichter verwendet werden, kann
der Schaltkreis auch zur Umwandlung von Wechselstrom- in Gleichstromsignale verwendet
werden, die verschiedenen Werten der Wechselstromsignale proportional sind, beispielsweise
dem arithmetischen Mittelwert oder dem Spitzenwert einer Wechselspannung, ebenso
gut aber auch akustischen Eingangsgeräuschen oder -störungssignalen, falls ein Gerät
zur Umwandlung derselben in elektrische Signale Verwendung findet, wie dies nachstehend
unter Bezugnahme auf F i g. 2 beschrieben wird.
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Der elektrische Kreis der F i g. 2 umfaßt einen Eingangskreis, welcher
die zu messenden Wechselstromsignale aufnimmt und einen variablen Verstärker 21
umfaßt. Dieser Verstärker kann entsprechend einem ihm zugeführten Steuersignal variiert
werden. - Weiter
umfaßt der Schaltkreis einen. Hochpaßfilterkreis mit einem Gerät
23 zur Gleichrichtung von Rauschpegeln.
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Der Hochpaßfilterkreis weist ferner einen Hochpaßfilter 22 vor dem
Gerät 23 auf und ist zwischen den variablen Verstärker 21 und einen ein Vergleichssignal
K1 empfangenden Vergleichskreis geschaltet.
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Ein Verstärker 24 mit hoher Verstärkung ist zur Verstärkung eines
ersten Differenzsignals und Zuführung desselben als Einstellsignal in den Verstärker
21 zwischen diesen Vergleichskreis und den variablen Verstärker 21 geschaltet. -
Außerdem umfaßt der Schaltkreis einen Ausgangskreis mit einem Tiefpaßfilterkreis,
welcher einen zwischen Verstärker 21 und einen ein Vergleichssignal K2 empfangenden
Vergleichskreis geschalteten Tiefpaßfilter 25 aufweist. - Schließlich befindet sich
zwischen dem Vergleichskreis des Signals K2 und dem Eingang des Verstärkers 21 ein
Verstärker 26 mit hoher Verstärkung.
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Das im Gerät 23 umgewandelte Wechselstromsignal des variablen Verstärkers
21 wird mit dem Signal K1 verglichen.
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Die Differenz stellt über den Verstärker 24 den variablen Verstärker
21 derart ein, daß beispielsweise der in db gemessene Wert des Rauschens des Wechselstrom-Ausgangssignals
des Verstärkers 21 konstant wird. Das Gleichstromsignal des Verstärkers 21 wird
durch den Tiefpaßfilter 25 mit dem Signal K2 verglichen und in dem Verstärker 26
derart verstärkt, daß das Gleichstrom-Ausgangssignal des Verstärkers 21 konstant
wird. Auf diese Weise wird ein Gleichstromsignal Y proportional einem unbekannten,
der Vorrichtung zugeführten Wechselstromsignal.