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Anordnung zur Messung der Abweis ung einer Frequenz vol einer Sollfrequenz,
vorzugsweise der uetzfrequenz Die Erfindung betrifft eine Anordung zur @essung der
Abweis@@ung einer Prequen@ von einer Sollfrequenz, vorzugsweise der Netzfrequenz,
wobei die Schwingungen einer Normalfrequenz während eilles VOL der zu messenden
Frequenz abgeleiteten Zeitintervalls gezä@lt werden.
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Zui digitalen Frequenzmessung i 1 c zwei Verfahren bekannt: Zählen
der Schwingungen der zu messenden Frequenz während
eines definierten
itintervalls (direkte Frequenzmessung) oder Erfassung der @eriodendauer durch Zählung
der Schwingungen einer Konstanten Frequenz, die währena der Periodendauer in einem
speicher eintreffen (Periodendauermessung). felde Verfahren weiden in der digitalen
Ne#technik in großem Umfange eing esetzt.
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Bei tiefen Frequenzen, beispielsweise der Metzirequenz, hat die direte
Frequenzmessung den achteil, da. bei hohen Genauigkeitsforderungen gro#e Me#zeiten
(> 1 ... 10 s) erfoprderlich sind. Die Periodenauermessung liefert bei niedrigen
Frequenzen und kurzer Me#zeit die genauesten Ergebnisse. Von @achteil ist, da# das
Me#ergebnis dem Kehrwert der zu tnessenden ireque-iiz entspricht. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Me#vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art zu sc@affen, die eine hone Genauigkeit aufweist, andererseits
bei kurzer Me@zeit und frequenzproportional@@ @usgangsgrö#e einem geringen Aufwand
auskommt. Zu diesem @wck ist eine Anordnung zur Messung Uer Abweichung einer Frequenz
VOll einer Collfrequenz, vorzungsweise der Metzfrequenz, bei cier die Schwingungen
einer @ormalfreque@z, die erneblich grö#er als die zu messende Frequenz ist, während
eines von der @@ messenden
Frequenz abgeleiteten Zeitintervalls
gezählt werden, gemä# der Erfindung dadurch gekenneichnet, da# der Normalfrequenzgenerator
über ein Gatter jeweils in bekannter Weise nur für die Dauer einer oder mehrerer
Perioden der zu messenden Frequenz mit einer Zähivorrichtung verbunden ist, die
derart bemessen ist, da# nur der Bereich der eu messenden Abweichungen erfa#t wird
und und die Zählvorrichtung über einen derart bemessenen Digital-Analog-Wandler
die Anseigeeinriichturlg steuert, daß die Nichtlinearität zwischen Frequenzoifferenz
und Zählwert ausgeglichen wird. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, da#
der Digital-Analog-Wandler aus @@tsprechend dem Zählwert wanlweise zuschaltbaren
Widerständen besteht, über die ein Meßinstrument aus einer konstanten Spannungsquelle
gespeist wird. Eine Weiterbildung C. t, erfindung zeichnet sich dadurch aus, da
«ie wa@lweise zusc@altbaren Widerstände einen Zweig einer Br@@ @enschaltung bilden,
die aus einer konstanten Spannungsquelle gespeist wird und die für den Wert der
Sollfrequenz abgeglichen ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfingung sind na@@@tehend an Nand @er @@@@@@@
erlä@@ert Figure 1 zeigt eine
Me#anordnung zur Messung dor Abweichung
einer Frequenz vcn einer Normalfrequenz, beispiclsweise der Netzfrequenz, Fig. 2
zeigt eine andere Ausführungsform des Digital-Analog-Wandlers.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Generator zur Erzeugung der Normalfreqjuenz
fQ bezeichnet. Pur diese Zwecke eignen sich bekannte, nur einen geringen Aufwand
darstellende Quarzgenertoren. Die Quelle für die zu messende Frequenz fx ist mit
2 bezeichnet. Die Frequenz fx sei berispielsweise eine Netzfrequenz, die auf Abweichungen
von ihrem Sollwert 50 Hz mit der beschriebenen Anordnung überwacht werden soll.
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Kit der Frequenz fx wird eine Unterrsetzerschaltung 3. gesteuert,
die beispielsweise durch einen Multivibrator gebildet wird, welcher das Gatter 4
derart stcucrt, daß dieses für die Dauer einer Oder mehrerer Perioden der Frequenz
fX die Normalfrequenz fQ der Zähleinrichtung 5 zuführt. Zur Auslösung eines Me#vorganges
dient die Steuereinrichtung 6, die beispielsweise zur Handbtätigung eine Drucktaste
besitzen kann, durch deren Betätigung die Untersetzerschaltung 3 eingeschaltet wird,
wobei vorher zwangsläfig sichergestellt wurde, da# die einrichtung 5 für einen neuen
Zählovrgang vorbereitet
ist. Die zu S teue re Steuereinrichtung
6 kann jedoch auch aus einem Taktgeber bestehen, der selbsttätig auScinanderfolgende
Me#vorgänge auslöst. Der Aufwand für die Zähleinrichtung 5 kann verhältnismäßig
gering gehalten werden, da diesc lediglich den anzuzeigenden Bereich der Abweichung
von der Sollfrequenz zugeordnete Werte zählen und nach außen zur Anzeige übertragen
soll. Die Zähleinrichtung 5 kann daher in bekannter Weise mit einer Voreinstellung
versehen sein; die entsprechenden Impulse zur Voreinstellung lassen sich aus, der
Schalteinrichtung 6 entnehmen. Die Zahl der von der Zühleinrichtung 5 jeweils gezählten
Impulse steht in nichtlinearem Zusammenhang mit der Abweichung der Frequenz fX von
ihren Sollwert, wic spater noch gezeigt wird. Der von der Zähleinrichtung 5 gesteuerte
Digital-Analog-Umsetzer 7 lässt sich derart bemessen, daß dieser nichtlineare Zusammenhang
kompensiert wird. Der Digital-hnalog-Umsetzer 7 enthält im dargestellten Ausführungsbeispicl
ein Anzeigegerrit M, das aus einem Drehspulinstrument bestehen kann, welches aus
einer Stromquelle konstanter Spannung U0 gespeist wird. Der Innenwiderstand des
Me#instrumentes M ist mit RM bezeichnet. Die Vorwiderstände des Me#instrumentes
M sind mit R1, R2, RK bezeichnet und können durch Kontakte k1, k2, k3, die von der.
Ausgängen der Zühleinrichtung 5 gesteuert werden, wahlweise zugeschaltet werden.
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Die Wirkungsweise der Anordnung beruht auf folgenden Zusammenhängen:
Die Anzahl p der am Speicher 5 eintreffenden und zu zählenden Schwingungen beträgt
n . fo p = (G1. 1) fX Wie erwähnt, kann man durch ensprechende Auslegung der Voreinstellung
des Speichers 5 erreichen, daß dieser nur für eine verhältnismäßig kleinc, durch
den Umfang der zu erfassenden Abweichung von der Sollfrequenz vorgegebene Anzahl
von Impulsen Werte an die Anzeigeeinrichtung weitergeben muß. Die Anzahl Z dieser
Werte ist Z = p - po (Gl. 2) Zweckmäßig wählt man pO nach n # fo po = (G1. 3) fS
dabei ist fS der Wert der Sollfrequenz.
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Aus den Gln. (1) ... (3) folgt Z = @@@@ - @@@@ (G1. 5) - fa (fs -
FX) Z = n fQ (G1. 5) fX # fS bie Frequenzabweichung # f ist gegeben durch #f = fX
- fS (G1. 6) Somit ist
bzw.
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Wie ersichtlich, ist der Zusammenhang zwischen Z und # f nichtlinear.
Diese Nichtlinerität lässt sich im Digital-Analog-Wandler kompensieren : Die Summe
aller dem Zählwert des Zahlers 5 entsprechenden eingeschalteten Leitwerte (Kehrwerte
der Widerstände n) sei #@/R = @/RZ = α Z (G1. 9)
In dem in
Fig. 1 dargestellten Wandler 7 ist ebenfalls eine Nichtlinearität enthalten, deren
Ursache der Widerstand Rx des Instrumentes M ist. Diese Nichtlinea,rität kann zur
Kompensation des Linearitätsfehlers zwischen # f und dem Zählwert Z ausgenutzt worden.
Die Spannung UM am Meßinstrument M ergibt sich aus
Wählt man nun
so erhält man unter Heranziehung der G1. (8) #f # Uo UM = - (G1. 12) fS Wie ersichtlich,
ist die Genauigkeit der Messung nur abhängig von der Konstanz der Frequenz fQ und
der Spannung U0 sowie der Genauigkeit der umschaltbaren Vorwiderstände R1, R2,RK.
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Das Minuszeichen in Gleichung (12) bedeutet, daß zunüchst nur Minusabweichungen
von der Sollfrequenz erfasst werden können. Durch Aufbau des Wandlers in From einer
Brückenschaltung sind auch positivc Wcrtc meßbar.
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Fig. 2 zeigt die Abwandlung des in Fig. 1 mit 7 bezeichneten Digital-Analog-Wandlers
im Sinne einer Brückenschaltung. Die Widerstände R1, R2, RK bilden zusammen mit
den Widerstand RN zwei Brückenzweige, denen die Widerstädne RA und RB als weitere
Brückenzweige gegenüberstehen. An der Speisediagenalen der Brücke liegt die Konstantspannungsquelle
U0, in der lknzeigediagonalen das Me#instruemnt M, dessen Innenwiderstand hier nicht
berücksichtigt wird, da er das Meßergebnis nicht beeinflusst. Mit den beschriebenen
Anordnungen sind Frequenzänderungen der Netzfrequenz mit einem Me#fehler in der
Gröfenordnung von 1 mHz bei Meßzeiten von 100 ... 200 ns erfaßbar.
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5 Patentansprüche Blatt Zeichnungen