DE2236864A1

DE2236864A1 - Schaltungsanordnung zum messen des wertes eines vorgegebenen parameters eines eingangssignals

Info

Publication number: DE2236864A1
Application number: DE2236864A
Authority: DE
Inventors: Daniel John Udovic
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-08-02
Filing date: 1972-07-27
Publication date: 1973-02-15
Also published as: US3723763A; JPS4825569A; FR2148164A1; BE787040A

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Udovic, O. J.

Incorporated

NEW YORK, N. Y. , 10007, USA

Schaltungsanordnung zum Messen des Wertes eines vorgegebenen Parameters eines Eingangs signals

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen des Wertes eines vorgegebenen Parameters eines Eingangssignals, wobei die Schaltungsanordnung ein Netzwerk aufweist, welches ein Ausgangssignal abgibt, das den besagten Wert darstellt.

Methoden zum Messen des Quasi-Effektiv-Wertes eines Signals sind bereits bekannt und beinhalten eine Vollweggleichrichtung des zu messenden Signals. Hierzu wurde das gleichgerichtete Signal über eine Diode, die als Schalter wirkte, auf ein passives Netzwerk gegeben, das einen ersten Widerstand enthielt, der in Reihe mit der Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes und eines Kondensators geschaltet war. Das Potential, welches über dem Kondensator entstand, stellte den Quasi-Effektiv-Wert des zugeführten gleichgerichteten Vollwegsignals dar. Solche Quasi-Effektiv-Wert-Meßschaltungen stellten sich wegen der Schwankungen in den Charakteristiken der Schaltdiode als unbefriedigend heraus.

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Es wurden Versuche unternommen, um die Auswirkungen solcher Diodenveränderungen zu verringern. Diese Versuche haben indessen hauptsächlich komplexere Schaltungsanordnungen zur Folge gehabt. Eine solche Schaltungsanordnung, die beispielsweise in dem US-Patent 3 287 651 beschrieben ist, arbeitet in einigen Anwendungsfällen zufriedenstellend, in anderen Anwendungsfällen dagegen wegen der Komplexität der Schaltungsanordnung und auch deswegen, weil die Quasi-Effektiv-Wertausgabe nicht auf Erde bezogen ist, nicht zufriedenstellend.

Entsprechend der Erfindung weist die Schaltungsanordnung zum Messen des Wertes eines vorgegebenen Parameters eines Eingangssignals ein Netzwerk auf, welches ein Ausgangs signal abgibt, das den besagten Wert darstellt, sowie Schaltmittel für die selektive Anschaltung des Eingangs signal s an das Netzwerk und Schaltmittel, die auf die erwähnten Eingangs- und Ausgangs signale ansprechen und die selektiven An schalt mittel steuern, damit das Eingangssignal nur dann an das Netzwerk gelegt wird, wenn das Eingangssignal das Ausgangssignal übersteigt.

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Ge maß der Er findung enthält die Schaltungsanordnung zum Me ssen des Quasi-Effektiv-Wertes eines Signals einen ersten Widerstand, der in Reihe mit einer Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes und eines Kondensators geschaltet ist, wobei die Werte der Widerstände und des Kondensators so sind, daß - während des Betriebs das Potential, welches sich über dem Kondensator ausbildet, den Quasi-ELfektiv-Wert darstellt; die Schaltungsanordnung enthält ferner Schaltmittel für die selektive Anschaltung des Signals an einen ersten Widerstand und Schaltmittel, welche auf dieses Signal ansprechen, sowie auf ein zweites Signal, das das Potential über dem Kondensator darstellt, wobei diese Schaltmittel die selektiven Anschaltemittel steuern, damit das erwähnte Signal nur dann auf den ersten Widerstand gegeben wird, wenn die Amplitude dieses Signal größer als die Amplitude des zweiten Signals ist. Die Steuermittel können einen Vergleicher enthalten, der auf das Signal und das erwähnte zweite Signal anspricht und der ein Signal erzeugt, welches die selektiven Anschaltemittel steuert. Die selektiven Anschaltemittel können Schaltmittel enthalten, welche auf das Steuersignal ansprechen, welches durch den Vergleicher erzeugt wird. Die Schaltmittel können einen Feldeffekttransistor beinhalten, der Quellen -, Tor- und Senken-

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Anschlüsse besitzt, wobei der erwähnte Senkenanschluß mit einem ersten Widerstand verbunden ist, und der erwähnte Toranschluß verbunden ist, um das Steuersignal zu empfangen, und daß der erwähnte Quellenanschluß verbunden ist, um das zu messende Signal zu empfangen. Der Vergleicher kann ein Differenzverstärker sein, der erste und zweite Eingänge besitzt, die verbunden sind, um das erwähnte Signal bzw. das erwähnte Zweit signal zu empfangen, daß der Differenzverstärker einen Ausgang aufweist, der mit dem erwähnten Toranschluß verbunden ist, wobei der Verstärker so ausgelegt ist, daß er ein Steuersignal abgibt, das eine erste Polarität aufweist, wenn die Amplitude des Signals größer ist als die Amplitude des genannten zweiten Signals, und das eine zweite Polarität aufweist, wenn die Amplitude des ersten Signals kleiner ist als die Amplitude des zweiten Signals, um den Feldeffekttransistor AN bzw. AUS zu schalten.

Hierzu kann ein Verstärker vorgesehen sein, der einen Eingang für den Empfang eines Eingangsignals aufweist und einen Ausgang für das Zuführen des genannten Signals an die selektiven Anschaltmittel.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Quasi-

Effektiv-Wert-Meßschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 Kurvendiagramme, die zur Beschreibung der

Wirkungsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung dienen.

Der Quasi-*Effektiv-Wert eines Signals liegt, ebenso wie der Effektivwert irgendwo zwischen dem Spitzen- und dem Mittelwert des Signals. Eine ausführliche Beschreibung der Theorie der Quasi-Effektiv-Wert-Messung findet sich in dem Aufsatz "A New Measuring Set for Message Circuit Noise" , Bell System Technical Journal, Juli 1960, Seite 912, insbesondere ab Seite 925.

Kurvenformen von stationären Signalen, die in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 erzeugt werden, sind in der Fig. 2 gezeigt und so beschriftet, daß sie mit den in der Fig. 1 dargestellten Punkten

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übereinstimmen. Demgemäß wird ein zu messendes, gleichgerichtetes. Vollwegsignal über den Eingangsanschluß 10 und den Widerstand 11 auf den Eingang des Verstärkers 12 gegeben. Eine invertierte, verstärkte Ausführung des zugeführten Signals entsteht am Ausgang des Verstärkers 12, wie es durch die Kurve A in der Fig. 2 dargestellt ist. Der Verstärker 12 ist als Trennstufe ausgebildet, um den Eingangsanschluß 10 vom Feldeffekttransistor (FET) 15 zu isolieren und um eine Signalquelle von niedriger Impedanz zu erhalten, damit das ordnungsgemäße Schalten des FET 15 erleichtert wird. Zu diesem Zwecke kann irgendeiner von den zahlreichen bekannten Verstärkern verwendet werden. Vorzugsweise ist der Verstärker 12 als integrierte Schaltung aufgebaut und ein an sich bekannter Operationsverstärker. Der Widerstand 16, der zwischen dem negativen und dem Ausgang des Verstärkers 12 liegt, dient zusammen mit dem Widerstand 11 dazu, auf bekannte Weise die Verstärkung des Verstärkers 12 einzustellen. Der Widerstand 17 , der zwischen dem positiven Eingang des Verstärkers 12 und Erde angeordnet ist, dient dazu, die Gleichstromdrift des Verstärkers in an sich bekannter Weise zu stabilisieren.

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Das Signal, welches am Ausgang des Verstärkers 12 entsteht, wird auf den Anschluß der Quelle 20 (source) des FET 15 sowie über den Widerstand 31 auf den positiven Eingang des Differenzverstärkers 30 gegeben. Der FET 15 arbeitet als steuerbarer Schalter und gibt das Ausgangs signal vom Verstärker 12 selektiv auf das passive Netzwerk 40. Das Signal, welches am Anschluß der Senke (drain) des FET 15 entsteht, ist als Kurve B in der Fig. 2 dargestellt. Durch die Verwendung des FET 15 als steuerbares Schaltelement ergibt sich eine größere Genauigkeit bei der Messung kleiner Signale und außerdem eine vereinfachte Schaltungsanordnung.

Das Netzwerk 40 enthält einen Widerstand 41, einen Widerstand 42 und einen Kondensator 43. Die Werte des Widerstandes 41, des Widerstandes 42 und des Kondensators 43 werden in Übereinstimmung mit vorher gegebenen Kriterien so ausgewählt, daß man die gewünschte, in dem oben erwähnten Artikel des Bell System Technical Journal beschriebene Quasi-Effektiv-We rt-Messung erhält. Ein Signal, das den gewünschten Quasi-Ef fektiv-We rt des gemessenen Signals darstellt, entsteht über dem Kondensator 43 und ist als Kurve C in Fig. 2 dargestellt. Das Quasi-Ef fektiv-Wert-Signal

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wird sowohl auf einen Ausgang 50 gegeben, wo es zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht, als auch auf den negativen Eingang des Differenzverstärkers 30.

Der Differenzverstärker 30 wird in einer "open-loop"-Konfiguration verwendet und arbeitet somit als Vergleicher. Der Ve rstärker 30 ist vorzugsweise ein Operationsverstärker in integrierter Bauweise. Das Signal, welches am Ausgang des Verstärkers 30 ansteht, also die Kurve D in Fig. 2, ist dann positiv, wenn die Amplitude des gleichgerichteten Vollwegsignals (Kurve A in Fig. 2) größer als die Amplitude des Quasi-Ef fektiv-Wert-Signals (Kurve C in Fig. 2) ist, und sie ist negativ, wenn die Amplitude des gleichgerichteten Signals kleiner als die Amplitude des Quasi-Effektiv-Wert-Signals ist. Auf diese Weise wird das Quasi-Ef fektiv-Wert-Signal als

■ Ι ϊ , ■■ Kj ■

"selbstaufbauendes" Bezugssignal für die Erzeugung eines Signals zur Steuerung des FET 15 verwendet und das Steuersignal, welches am Punkt D in Fig. 1 entsteht, wird über die Diode 52 auf den Anschluß des Tores 22 (gate) des FET 15 gegeben. Die Diode 52 ist so gepolt, daß sie den positiven Anteil des Steuersignals nicht

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zum Tor des FET 15 durchläßt. Der Widerstand 53, der zwischen dem Anschluß des Tores 22 und dem Anschluß der Quelle 20 liegt, spannt den FET 15 gleichstrommäßig in an sich bekannter Weise vor.

Im vorliegenden Beispiel ist der FET 15 ein Feldeffekttransistor vom N-Kanal-Typ. Ein solcher FET ist dann im EIN-Zustand, d. h. in einem gesättigten, leitenden Zustand, wenn das zwischen den Quellen und Toranschlüssen anstehende Potential vollständig zu null wird, und er ist im AUS-Zustand, d.h. nichtleitend, wenn das Potential, welches zwischen den Tor- und Quellenanschlüssen liegt, eine hinreichende negative Amplitude aufweist. Deshalb wird der FET 15 in Abhängigkeit von dem am Ausgang des Verstärkers 30 anstehenden Signal - wie durch die Kurve D in Fig. 2 dargestellt während der Zeitabschnitte, in denen das Steuersignal positiv ist, auf EIN gestellt, und er wird während der Zeitabschnitte, in denen das Steuersignal negativ ist, auf AUS geschaltet. So wird das gemessene Signal nur dann auf den Detektor 40 gegeben, wenn seine Amplitude größer ist als das Signal des Quasi-Effektiv-Wertes, das am Kondensator 43 abfällt.

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Der FET 15 arbeitet mit dem Differenzverstärker 30 so zusammen, daß eine tatsächliche "ideale"Diodenfunktion erzielt wird. Dies bedeutet, daß die Fehler, welche bei bekannten Systemen infolge von Abweichungen in den Diodencharakteristiken möglich sind, vollständig eliminiert werden. In der Tat erreicht man die ideale Diodenfunktion deshalb, weil sich der FET 15, wenn er in den gesättigten, leitenden Zustand gelangt, im wesentlichen wie ein Widerstand verhält. Der EIN-Widerstandswert des FET 15 ist äußerst konstant und wird durch das Hinzufügen des Widerstandswertes des Widerstandes 41 kompensiert. Das bedeutet, daß die Widerstandswerte des FET 15 und des Widerstandes 41 kombiniert werden. Falls der Widerstandswert des Widerstandes 41 groß im Vergleich zum EIN-W id er st and des FET 15 ist, kann der Widerstandswert des FET 15 vernachlässigt werden. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung betragen die Widerstandswerte des Widerstandes 41 und des FET 15 10, 8 kOhm bzw. ungefähr 25 Qhm. Dementsprechend kann der EIN-Widerstand des FET 15 vernachlässigt werden, und man erhält eine präzise Quasi-Effektiv-Wert-Messung.

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Typische We rte für die Bauelemente und Potentiale der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung können folgende sein:

Widerstandll 8, 25 kOhm

Widerstand 16 8, 25 kOhm

Widerstand 17 4,0 kOhm

Widerstand 31 2,0 kOhm

Widerstand 41 10, 8 kOhm

Widerstand 42 42, 2 kOhm

Widerstand 53 33 kOhm Kondensator 43 4, 7 Mikrofarad

V+ 15 Volt

V- ■ 15 Volt

Wie der Fachmann ohne weiteres erkennen kann, können andere Feldeffekttransistoreinrichtungen anstelle der beschriebenen Schalteinrichtung verwendet werden.

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Claims

12 PATENTANSPRÜCHE

1. ) Schaltungsanordnung zum Messen des Wertes eines vorgegebenen

Parameters eines Eingangssignals, wobei die Schaltungsanordnung ein Netzwerk aufweist, welches ein Ausgangssignal abgibt, das den besagten Wert darstellt,

gekennzeichnet durch Schaltmittel (15) für die selektive Anschaltung des Eingangs signal s (A) an das Netzwerk (40) und Schaltmittel (30), die auf die erwähnten Eingangs- und Ausgangssignale ansprechen und die selektiven Anschaltemittel steuern, damit das Eingangssignal nur dann an das Netzwerk (40) gelegt wird, wenn das Eingangssignal das Ausgangssignal (C) übersteigt.

2. Schaltungsanordnung zum Me-esen des Quasi-Effektiv-Wertes eines Signals, die einen ersten Widerstand enthält, der in Reihe mit einer Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes und eines Kondensators geschaltet ist, wobei die Werte der Widerstände und des Kondensators so sind, daß - während des Betriebs -

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das Potential, welches sich über dem Kondensator ausbildet, den Quasi-Ef-fektiv-We rt darstellt,

gekennzeichnet durch Schaltmittel (15) für die selektive Anschaltung des Signals an einen ersten Widerstand (41) und Schaltmittel (30), welche auf dieses Signal (A) ansprechen sowie auf ein zweites Signal (C), das das Potential über dem Kondensator (43) darstellt, daß diese Schaltmittel (30) die selektiven Anschaltemittel steuern, damit das erwähnte Signal nur dann auf den ersten Widerstand gegeben wird, wenn die Amplitude dieses Signals größer als die Amplitude des zweiten Signals ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel einen Vergleicher (30) enthält, der auf das erwähnte Signal und das erwähnte zweite Signal anspricht und der ein Signal (D) erzeugt, welches die selektiven Anschaltemittel steuert.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiven Anschaltemittel Schaltmittel (15) enthalten,

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welche auf das Steuersignal ansprechen, das durch den Vergleicher erzeugt wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel einen Feldeffekttransistor (15) enthält, der Quellen (20)-, Tor (22)- und Senken(21)-Anschlüsse besitzt, wobei der erwähnte Senkenanschluß mit einem ersten Widerstand verbunden ist und der erwähnte Toranschluß dazu verbunden ist, um das Steuersignal zu empfangen , und daß der erwähnte Quellenanschluß verbunden ist, um das zu messende Signal zu empfangen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher ein Differenzverstärker (30) ist, der erste und zweite Eingänge besitzt, die verbunden sind, um das erwähnte Signal bzw. das erwähnte zweite Signal zu empfangen, daß der Differenzverstärker einen Ausgang aufweist, der mit dem erwähnten Toranschluß verbunden ist, wobei der Verstärker so ausgelegt ist, daß er ein Steuersignal abgibt, das eine erste Polarität aufweist, wenn die

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Amplitude des Signals größer ist als die Amplitude des genannten zweiten Signals und das eine zweite Polarität aufweist, wenn die Amplitude des ersten Signals kleiner ist als die Amplitude des zweiten Signals, um'den Feldeffekttransistor EIN bzw. AUS zu schalten.

7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 bis 6, gekennzeichnet durch einen Verstärker (12), der einen Eingang für den Empfang eines Eingangs signals (10) aufweist und einen Ausgang für die Zuführung des genannten Signals an die selektiven Anschaltemittel.

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