DE2831734C3 - Signalgenerator zur Erzeugung sinusförmiger Ausgangssignale mit vorbestimmter gegenseitiger Phasenlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Signalgencrator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Gattung.

ίο Ein derartiger Signalgenerator ist bereits bekannt (DE-OS 23 58 009). Dabei wird ein Teil von Phasenschrittsignalen benutzt, um mittels des Addierers einen konstanten Wert zu diesen Phasenschrittsignalen zu addieren, so daß sich einerseits eine wählbare Frequenzmultiplikation und andererseits eine wählbare Phase ergeben. Der Zahlengenerator besteht aus einer Vielzahl elektronischer Baugruppen, insbesondere aus mehreren verschiedenen Registern und Schaltgliedern.

Darüber hinaus ist ein Signalgenerator bekannt (IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics, Vol. AU-19, No 1, March 1971, S. 48-57), der zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignale erzeugt. Als Funktionsgeber dient ein Rechner mit einem RGM-Speicher und als Zahlengenerator ein Akkumulator. Bei jedem durch den Zahlengenerator markierten Phasenschritt werden im Rechner gleichzeitig der zugehörige Sinuswert und Cosinuswert berechnet und an je einen Digital/Analog-Wandler ausgegeben. Diese Lösung erfordert einen aufwendigen Funktionsgeber.

Ferner ist ein Signalgenerator bekannt (DE-OS 22 31458), bei dem der Zahlengenerator aus einem Frequenzregister zur Wahl der Ausgangsfrequenz und einem Modulo-10"-Akkumulator besteht und periodisch binär kodierte Phasenschrittsignale an einen als Funktionsgeber arbeitenden Festspeicher abgibt. Der Festspeicher ist über ein Ausgangsregister und eine Komplementiereinrichtung an einen Digital/Analog-Wandler angeschlossen. Der Modulo-10"-Akkumulator ist aus Addiergliedern und aus Registern aufgebaut, welchen von einem Taktgeber ein Taktgebersignal zugeführt ist, damit die Eingangssignal in der richtigen zeitlichen Beziehung miteinander verknüpft werden. Dieser Signalgenerator erzeugt jedoch nur ein einziges sinusförmiges Ausgangssignal.

Ferner ist es bekannt (DE-AS 2118 065), ein

sinusförmiges Signal durch mehrmaliges Abtasten in amplitudenmodulierte Impulse umzuformen und hieraus sinusförmige Mehrphasensignale zu bilden.

Ein bekannter Signalgenerator (DE-OS 23 58 009) benutzt einen Teil von Phasenschrittsignalen, um mittels eines Addierers einen konstanten Wert zu den Phasenschrittsignalen zu addieren, so daß sich einerseits eine wählbare Frequenzmultiplikation und andererseits eine wählbare Phase ergeben.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die

Aufgabe zugrunde, einen Signalgenerator der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß er sich durch einen einfacheren Schaltungsaufbau auszeichnet.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen beansprucht und in der Figurenbeschreibung beschrieben.

Der erfindungsgemäße Signalgenerator ist mit einem einfacheren Zahlengenerator versehen. Der technische Aufwand wird daher vor allem dann vergleichsweise gering, wenn eine größere Anzahl von Ausgangssignalen mit gleicher Frequenz, aber unterschiedlicher Pha-

senlage erzeugt wird.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert Dabei zeigt F i g. i ein Prinzipschaltbild eines Signa!«enerators, F i g. 2 ein Diagramm und

Fig.3 ein Prinzipschaltbild eines weiteren Signalgenerators.

Der in der F i g. 1 dargestellte Signalgenerator erzeugt drei um jeweils 120° gegeneinander phasenverschobene Wechselspannungen Ur, i/s und i/rsowie drei um jeweils 120° gegeneinander phasenverschobene Wechselströme Ir, Is und It. Das Stromdreieck Ir, Is, It ist gegenüber dem Spannungsdreieck Ur, Us, ίΛ-urn den Phasenwinkel φ verschoben, der an einem Winkeleingabeglied 10 vorwählbar ist und von diesem in binär kodierter Form ausgegeben wird. Ein zweites Winkeleingabeglied 11 gibt im dargestellten Beispiel einen Winkelwert von 121° in ebenfalls binär kodierter Form aus. Je nach der Stellung eines Schalters <2, der in der Zeichnung symbolisch dargestellt ist und aus mehreren Gattern entsprechend der Bitzahl der binär kodierten Winkelwcrie bestehen kann, ist entweder das Winkeleingabeglied 10 oder das Winkeleingabeglied 11 an einen ersten Eingang 13 eines Addiergliedes 14 angeschlossen, dessen zweiter Eingang 15 mit dem Ausgang eines Akkumulators 16 verbunden ist und dessen Ausgang einerseits an den Eingang des Akkumulators 16 und andererseits an den Eingang eines Funktionsgebers 17 geschaltet ist. Dem Funktionsgeber 17 ist ein Digital/Analog-Wandler 18 nachgeschaltet, der ausgangsseitig mit den Speichereingängen von sechs Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24 verbunden ist. An jede der Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24 ist ein Tiefpaßfilter 25 bis 30 angeschlossen, dem jeweils ein Verstärker 31 bis 36 nachgeschaltet ist. Die Verstärker 31, 33 und 35 sind Spannungsverstärker und geben die Ausgangsspannung Ur bzw. Us bzw. Uy ab. Die als Stromverstärker arbeitenden Verstärker 32, 34 und 36 liefern den Ausgangsstrom /«bzw. /sbzw. It-

Ein Taktgeber 37 erzeugt Taktimpulse mit der Frequenz to. Diese gelangen zu einem Taktverteiler 38,

der einerseits mit Taktimpulsen der Frequenz /j=4- den Akkumulator 16 taktet und den Schalter 12 steuert und andererseits Taktsignale f\ bis 4 mit der Frequenz ~ an

die Takteingänge der Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24 abgibt, wodurch diese zyklisch getaktet werden.

Der Akkumulator 16 und das Addierglied 14 bilden zusammen mit den Winkeleingabegliedern 10 und 11 und dem Schalter 12 einen Zahlengenerator, der binär kodierte Phasenschrittsignale Ph an den Funktionsgeber 17 abgibt, die vom Funktionsgeber 17 in binär kodierte Momentanwertsignale und vom Digitai/Analog-Wandler 18 in ein Analogsignal umgeformt werden. Der Zahlengenerator erzeugt, wie weiter unten näher erläutert wird, für jedes der Ausgangssignale Ur, Ir, Us, Is, Ut und h in zyklischer Reihenfolge Phasenschrittsignale Ph, die vom Funktionsgeber 17 in binär kodierte Momentanwertsignale und vom Digital/Analog-Wandler 18 in ein entsprechendes, zu einer Referenzspannung Ute!proportionales Analogsignal umgeformt und in den zugeordneten Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24 in analoger Form bis zum nächsten Zyklus gespeichert werden. Der Funktionsgeber 17 gibt also innerhalb jedes Phasenschrittes nur einen Momentanwert aus und kann dementsprechend einfach aufgebaut sein; z.B. eignet sich als Funktionsgeber 17 ein ROM-Speicher, in dem zu jedem auftretenden Phasenschrittsignal der zugehörige Momentanwert der Sinusfunktion gespeichert ist Da nur die Sinusfunktion des 1. Quadranten in den ROM-Speicher eingeschrieben werden muß und die Sinuswerte der drei anderen Quadranten durch Spiegelung des 1. Quadranten gewonnen werden können, genügt eine verhältnismäßig geringe Speicherkapazität

Im folgenden wird anhand des Diagramms der Fi g. 2 ίο die Arbeitsweise des beschriebenen Signalgenerators im einzelnen erläutert In der F i g. 2 sind mit den Zahlen 0 bis 7 einzelne Phasenschritte bezeichnet Die verschiedenen Taktsignale sind wiederum mit f_a f_s\md /j bis f₆ bezeichnet Aus der mit Sbezeichneten Zeile ist die Stellung des Schalters 12 bei den einzelnen Phasenschritten ersichtlich. In der Zeile Ph ist der jeweilige Wert des Phasenschrittsignals Ph am Ausgang des Addiergliedes 14 und in der Zeile A der jeweils im Akkumulator 15 eingespeicherte Wert eingetragen.

Zum leichteren Verständnis sei vorerst angenommen, daß sich der Schalter 12 dauernd in der Stellung 121° befindet. Durch einen Taktimpuls des Taktsignals /₅ beim Phasenschritt 1 nimmt das Phasenschrittsignal Ph den Wert 0° an, dieser Wert wird in den Akkumulator 16 eingespeichert, der Funktionsgeber 17 bildet den zugehörigen Sinuswert in binär kodierter Form und der Digital/Analog-Wandler 18 in analoger Form, am Takteingang des Abtast-Halte-Speic'hers 19 erscheint ein Taktimpuls des Taktsignals i\, und der der Ausgangsspannung Ur zugeordnete Analogwert wird in die Abtast-Halte-Schaltung 19 eingespeichert. Beim nächsten Taktimpuls des Taktsignals f_s, d. h. beim Phasenschritt 3, wird im Addierglied 15 der Wert 12Γ des Winkeleingabegliedes 11 zum alten V/ert 0° des Akkumulators 16 addiert, der neue Wert 12Γ wird in den Akkumulator 16 übernommen, und der entsprechende, der Ausgangsspannung Us zugeordnete Sinuswert in die Abtast-Halte-Schaltung 21 eingespeichert. Beim Phasenschritt 5 wird der der Ausgangsspannung Utzugeordnete Sinuswert von 242° in die Abtast-Halte-Schaltung 23, beim Phasenschritt 7 der der Ausgangsspannung Ur zugeordnete Sinuswert von 363° =3° in die Abtast-Halte-Schaltung 19 eingespeichert usw. Betrachtet man die Bildung beispielsweise der Ausgangsspannung Ur für sich allein, so scheint es, daß der Zahlengenerator nichts anderes tun würde als bei jedem sechsten Phasenschritt den Wert des Phasenschrittsignals Ph um 3° zu erhöhen. Für jede AusgangsspariRung Ur, Us und Ut arbeitet also der

so Zahlengenerator als eigener Dreieck-Zahlengenerator. Am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltungen 19, 21 und 23 erscheinen treppenförmige Ausgangsspannungen, die eine Sinuskurve annähern und gegeneinander um jeweils genau 120° phasenverschoben sind. Mit den

ϊ5 Tiefpaßfiltern 25, 27 und 29 werden die treppenförmigen Ausgangsspannungen geglättet und mit den Spannungsverstärkern 31, 33 und 35 auf den erforderlichen V/ert verstärkt.
Die den Ausgangsströmen In, /5 und It zugeordneten

bO Sinuswerte werden jeweils beim nächsten Phasenschritt nach der Berechnung des Sinuswertes der Ausgangsspannung Ur, Us oder Ut der entsprechenden Phase gebildet, also bei den Phasenschritten 0, 2, 4, 6 ... Im dargestellten Beispiel wechselt der Schalter 12 beim Phasenschritt 2 in die Stellung φ, das Addierglied 12 führt die Addition 0° +91 aus, das Phasenschrittsignal Ph nimmt also den Wert φ an, der Funktionsgeber 17 gibt den zugehörigen Sinuswert aus, am Takteingang der

Abtast-Halte-Schaltung 20 erscheint ein Taktimpuls des Taktsignals f₂, und der dem Ausgangsstrom Ir zugeordnete Analogwert wird in die Abtast-Halte-Schaltung 20 eingespeichert. Am Takteingang des Akkumulators 16 erscheint beim Phasenschritt 2 kein Taktimpuls des Taktsignals 4 so daß der Wert φ nicht in den Akkumulator 16 eingespeichert wird. Beim Phasenschritt 4 wird, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, der dem Ausgangsstrom Is zugeordnete Sinuswert von 12Γ+φ in die Abtast-Halte-Schaltung 22, beim Phasenschritt 6 der dem Ausgangsstrom It zugeordnete Sinuswert von 242° +φ in die Abtast-Halte-Schaltung 24 eingespeichert usw. Die so entstehenden treppenförmigen Ausgangsspannungen der Abtast-Halte-Schaltungen 20, 22 und 24 werden mit den Tiefpaßfiltern 26, 28 und 30 geglättet und mit den Stromverstärkern 32,34 und 36 in entsprechende Ströme der erforderlichen Stärke umgeformt.

Der beschriebene Signalgenerator bildet also ein Spannungsdreieck Ur, Us, £/rund ein Stromdreieck Ir, Is, ITt die sich im Gegenuhrzeigersinn drehen und um den Winkel ψ gegeneinander verdreht sind. Obwohl der Zahlengenerator Schritte von 121 ° und nicht von 120° ausführt, sind die Dreiecke genau gleichseitig, da die Abtastung des zugehörigen Sinuswertes entsprechend später erfolgt. Infolge der verzögerten Abtastung der Sinuswerte der Ausgangsströme Ir, Is und Itgegenüber den Sinuswerten der zugeordneten Ausgangsspannungen Ur, t/sund i/rist das Stromdreieck gegenüber dem Spannungsdreieck nicht um den Winkel ψ, sondern im beschriebenen Beispiel um den Winkel φ-0,5° verdreht. Diesem Umstand ist bei der Vorwahl des Winkels φ im Winkeleingabeglied 10 Rechnung zu tragen.

Der genannte Winkelwert von 121° des Winkeleingabegliedes 11 ist lediglich als Beispiel zu verstehen und richtet sich nach der gewünschten Feinheit der Treppenkurve der Analogsignale am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24. Selbstverständlich kann der Winkelwert des Winkeleingabegliedes 11 auch kleiner als 120° sein, so daß sich die Spannungs- und Stromdreiecke im Uhrzeigersinn drehen. In einem binären 8-Bit-System wird dieser Winkelwert z. B. durch die Binärzahl 01010101 dargestellt, was einem Winkel von -« 119,5" entspricht.

Im dargestellten Beispiel weist der Digital/Analog-Wandler 18 einen Referenzspannungseingang 39 auf, der an eine Referenzspannungsquelle U_rc\ angeschlossen ist. Das Analogsignal am Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 18 ist zur Referenzspannung proportional, so daß durch Veränderung der Referenzspannung die Amplitudenwerte sämtlicher Ausgangsspannungen und Ausgangsströme gemeinsam beeinflußt werden können. Ist der Referenzspannungseingang 39 über einen vom Taktverteiler 38 gesteuerter Mehrfachumschalter an mehrere einstellbare Referenzspannungsquellen anschließbar, so können die Amplitudenwerte der Ausgangsspannungen Ur, Us und Ut und jede der Ausgangsströme Ir, Is und It unabhängig voneinander durch Veränderung der Referenzspannungen eingestellt ίο werden. Hierbei ist eine selbsttätige Nachregelung der Ausgangssignale aufgrund ihrer Effektivwerte möglich, wenn die Spannungsverstärker 31, 33 und 35 sowie die Stromverstärker 32,34 und 36 an ein Effektivwertmeßgerät angeschlossen sind, dessen Ausgangssignal die Referenzspannungsquellen steuert. Auch eine selbsttätige Nachregelung der Phasenwinkel ist möglich, indem jeweils ein Spannungsverstärker 31, 33, 35 und ein Stromverstärker 32, 34, 36 der gleichen Phase an ein Phasenwinkelmeßgerät angeschlossen werden, dessen Ausgangssignal das Winkeleingabeglied 10 steuert.

In der F i g. 3 weisen gleiche Bezugszeichen wie in der F i g. 1 auf gleiche Teile hin. Anstelle der Abtast-Halte-Schaltungen 19 bis 24 (F ig. 1) weist der Signalgenerator nach der F i g. 3 digitale Schreib-Lese-Speicher (RAM) 39 bis 44 auf, deren Speichereingänge an den Funktionsgeber 17 und deren Takteingänge an den Taktverteiler 38 angeschlossen sind. Jedem der Schreib-Lese-Speicher 39 bis 44 ist ein Digital/Analog-Wandler 45 bis 50 nachgeschaltet, dessen Ausgang jeweils zu einem der Tiefpaßfilter 25 bis 30 führt.

Der Signalgenerator nach der F i g. 3 ist im Vergleich zu jenem nach der F i g. 1 etwas aufwendiger, zeichnet sich jedoch durch den Vorteil aus, daß die Arbeitsgeschwindigkeit der Digital/Analog-Wandler 45 bis 50 weniger hoch sein muß als diejenige des Digital/Analog-Wandlers 18 (nach der Schaltung von F i g. 1).

Die Digital/Analog-Wandler 45 bis 50 weisen vorteilhafterweise Referenzspannungseingänge zum Anschluß einer Referenzspannung auf mit der die Amplitudenwerte der Ausgangsspannungen und Ausgangsströme eingestellt oder geregelt werden können. Ferner ist es vorteilhaft, dem Funktionsgeber 17 ein Addierglied vorzuschalten, das gestattet, zum Phasenschrittsignal Ph ein Winkelsignal zu addieren, um so den Phasenwinkel der Ausgangsspannungen und Ausgangsströme zusätzlich zu beeinflussen bzw. nachzuregeln.

Vorteilhafterweise werden die beschriebenen Signalgeneratoren als Dreiphasenspannungs- und Dreiphasenstromgenerator zur Eichung von Elektrizitätszählern verwendet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Signalgenerator zur Erzeugung sinusförmiger Ausgangssignale mit vorbestimmter gegenseitiger Phasenlage, mit einem von einem Taktgeber gesteuerten Zahlengenerator, der aus Winkeleingabegliedern, einem vom Taktgeber gesteuerten Schalter, einem Addierglied, an dessen ersten Eingang der Schalter angeschlossen ist, und einem Akkumulator besteht und zyklisch jedem der Ausgangssignale zugeordnete, binär kodierte Phasenschrittsignale an einen Funktionsgeber abgibt, die vom Funktionsgeber in binär kodierte Momentanwertsignale und von mindestens einem Digital/Analog-Wandler in ein Ausgangssignal umgeformt werden, bei dem jedem Ausgangssignal ein an den Digital/Analog-Wandler oder an der. Funktionsgeber angeschlossener Speicher zugeordnet ist, ein an den Taktgeber angeschlossener Taktverteiler die Speicher zyklisch taktet und der Ausgang des Akkumulators (16) an einen zweiten Eingang des Addiergliedes angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeleingabeglieder (10; 11) über den Schalter (12) an den ersten Eingang (13) des Addiergliedes (14) angeschlossen sind, daß der Schalter (12) die Winkeleingabeglieder (10; 11) alternierend mit dem ersten Eingang (13) des Addiergliedes (14) verbindet und daß der Ausgang des Addiergliedes (14) mit dem Eingang des vom Taktgeber (37) getakteten Akkumulators (16) verbunden ist.

2. Signalgenerator nach Anspruch 1, bei dem jedem Ausgangssignal ein an den Digital/Analog-Wandler angeschlossener Speicher zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher (19 bis 24) Abtast-Halte-Schaltungen sind und daß der Digital/ Analog-Wandler (18) sämtlichen Ausgangssignalen (Ur; Ir; Us; Is; Ur, /^gemeinsam zugeordnet ist.

3. Signalgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzspannungseingang (39) des Digital/Analog-Wandlers (18) über einen vom Taktverteiler (38) gesteuerten Mehrfachumschalter an mindestens zwei einstellbare Referenzspannungsquellen anschließbar ist.

4. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch drei über je ein Tiefpaßfilter (25; 27; 29) an einen der Speicher (19; 21; 23) bzw. einen der Digital/Analog-Wandler (45; 47; 49) angeschlossene Spannungsverstärker (31; 33; 35) zur Erzeugung eines Spannungsdreiecks und durch drei über je ein Tiefpaßfilter (26; 28; 30) an einen der Speicher (20; 22; 24) bzw. einen der Digital/Analog-Wandler (46; 48; 50) angeschlossene Stromverstärker (32; 34; 36) zur Erzeugung eines Stromdreiecks.

5. Signalgenerator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverstärker (31; 33; 35) und die Stromverstärker (32; 34; 36) an ein Effektivwertmeßgerät angeschlossen sind, dessen Ausgangssignal die Referenzspannungsquellen steuert.

6. Signalgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Spannungsverstärker (31; 33; 35) und ein Stromverstärker (32; 34; 36) an ein Phasenwinkelmeßgerät angeschlossen sind, dessen Ausgangssignal das Winkeleingabeglied (10) steuert.

7. Verwendung des Signalgenerators nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Dreiphasenspannungs- und Dreiphasenstromgenerator zur Eichung von Elektrizitätszählern.