DE3226764C2 - Anordnung zum Umsetzen einer Meßspannung unter Beibehaltung ihrer Frequenz auf konstante Amplitude - Google Patents

Abstract

In der Hauptanmeldung P 3205683.4-35 wird die Meßspannung in eine Rechteckspannung umgewandelt und einem Switched-Capacitor-Filter (9) zugeführt, dessen Grenzfrequenz 1/100 der Taktfrequenz am Eingang (92) beträgt. Die Ableitung der Taktfrequenz aus der Meßfrequenz bewirkt ein PLL-Schaltkreis, in dessen Regelschleife eine Untersetzung um den Faktor 128 stattfindet. Vorliegende Anordnung ersetzt die Regelung durch eine Steuerung. Mittels einer hochfrequenten Impulsfolge eines Generators (4) wird durch einen Zähler (3) die Periodendauer der Meßspannung (U ↓M) ermittelt. Eine der Begrenzerschaltung (1) nachgeschaltete Impulsformerstufe (2) liefert dazu die Signale für Periodenbeginn und -ende. Sie steuern außerdem die Übernahme des Zählerstandes in einen Speicher (5). Von dort wird ein Periodendauer : 256 entsprechender Zählwert in einen Zähler (6) und ein Periodendauer : 128 entsprechender Zählwert in einen Zähler (7) übertragen. Beide Zähler werden durch die hochfrequente Impulsfolge rückwärts gezählt. Bei Unterschreiten des eingespeicherten Wertes gibt der Ausgang (74) des Zählers (7) ein Signal ab, das beide Zähler mit einem neuen Wert vom Speicher (5) lädt. Der Ausgang (64) der Vorzeichenstufe des Zählers (6) dient direkt als Taktsignalquelle.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Umsetzen einer Meßspannung mit sich ändernder Amplitude und innerhalb eines bestimmten Bereiches beliebiger Frequenz in eine Spannung jeweils gleicher Frequenz mit konstanter Amplitude gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Eine solche Anordnung ist Gegenstand des Hauptpatents 32 05 683. Zur Ableitung eines die Grenzfrequenz des Tiefpasses steuernden Signals aus der Frequenz f _M der Meßspannung ist dort ein PLL-Schaltkreis eingesetzt, in dessen Regelschleife eine Untersetzerstufe eingefügt ist. Der Phasenkomparator des PLL-Schaltkreises vergleicht jeweils die Meßspannung mit der um den Faktor m zeitlich untersetzten Spannung, so daß am Eingang der Untersetzerstufe per Regelung eine Spannung der Frequenz m · f _M erhalten wird, die als Taktsignal zum Steuern der Grenzfrequenz des Tiefpasses benutzt wird. Nachteilig an dieser Lösung ist der Zeitbedarf der Regelung. Während dieser Einschwingzeit, die mehrere Hundert ms betragen kann, treten wegen der wandernden Grenzfrequenz des Tiefpasses Ausgangsspannungen mit unterschiedlichem Klirrfaktor auf. Sie stören besonders beim Einschalten, aber auch beim Wobbeln, da sie die Meßergebnisse verfälschen können, sofern man nicht langsam genug den Wobbelbereich durchfährt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art die Ableitung des Taktsignals zum Steuern der Grenzfrequenz des Tiefpasses aus der Meßspannung zu beschleunigen und dadurch schnellere Wobbeldurchläufe zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
• Diese Lösung zeichnet sich gegenüber der älteren Lösung dadurch aus, daß die Frequenz f _T des Taktsignals aus der Frequenz f _M der Meßspannung direkt durch Ermitteln der jeweiligen Periodendauer der Meßspannung abgeleitet wird, so daß es kein Einschwingen wie bei einer Regelung gibt.
• Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, erläutert. Es zeigt
• Fig. 1 das Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels,
• Fig. 2 ein Impulsdiagramm zu Fig. 1.
• Die umzusetzende Meßspannung U _M wird in der Anordnung von Fig. 1 einer Begrenzerschaltung 1 zugeführt, die sie - wie in der Hauptanmeldung - in eine Rechteckspannung gleicher Frequenz f _M umformt. Eine Signalformerschaltung 2 leitet aus den positiven Flanken dieser Rechteckspannung positive Impulse ab und aus den negativen Flanken negative Impulse.
• Ein nachgeschalteter Zähler 3, an dessen Zähleingang 32 ein quarzstabilisierter Generator 4 angeschlossen ist, wird an seinem Steuereingang 31 jeweils durch die positiven Impulse der Signalformerschaltung 2 auf Null gesetzt und neu gestartet. Das geschieht nach Ablauf je einer vollen Periode der Rechteckspannung mit der Frequenz f _M . Die negativen Impulse der Signalformerschaltung werden dem Steuereingang 52 eines Speichers 5 zugeführt und bewirken, wenn sie auftreten, eine Übernahme des jeweiligen Zählerstandes des Zählers 3 über p parallele Eingangsleitungen 51 in den Speicher 5. Das geschieht jeweils im Abstand einer vollen Periodendauer der Rechteckspannung der Frequenz f _M , aber um eine Halbperiode gegenüber dem Zählerstart versetzt. Somit übernimmt der Speicher 5 immer einen der Dauer einer Halbperiode der Meßspannung U _M proportionalen Zählwert, und zwar entspricht dieser dem Quotienten aus der Generatorfrequenz und der doppelten Meßfrequenz f _M .
• Anstelle der versetzten Übernahme des Zählerstandes in den Speicher 5 ist auch eine gleichzeitige Übernahme mit dem Zählerstart möglich. Der Halbperiodenversatz wurde im Ausführungsbeispiel gewählt, weil die betreffenden Signale in der Gesamtanordnung, zu der der Anmeldungsgegenstand gehört, noch weitere Vorgänge steuern. Für die prinzipielle Funktion des Anmeldungsgegenstandes ist das jedoch unerheblich.
• Im Ausführungsbeispiel sind Frequenzen f _M zwischen 200 Hz und 3500 Hz zu berücksichtigen. Der Generator 4 gibt eine konstante Frequenz f _K von 10 MHz ab. Folglich wird bei f _M =200 Hz ein Zählwert von 25 000 in den Speicher 5 übertragen, bei f _M =3500 ein Zählwert von 1428. Das setzt einen Zähler 3 mit mindestens 15 Stufen voraus, ebenso muß der Speicher 5 mindestens 15 Stufen aufweisen (p ≤15). Von diesen p Stufen des Speichers 5 sind die höchstwertigen über q Ausgangsleitungen mit q Paralleleingängen 62 eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers 6 verbunden, desgleichen führen die q Ausgangsleitungen und eine weitere Ausgangsleitung 53 zu q+1 Paralleleingängen 72 eines weiteren Vorwärts-Rückwärts-Zählers 7. Mit q=p-7 wird eine Zählwertuntersetzung um den Faktor 128 erzielt; q+1 ist dann p-6 und bewirkt eine Untersetzung um den Faktor 64. Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 erhält also zum Zeitpunkt der Übernahme jeweils den 128. Teil des im Speicher 5 enthaltenen Zählwerts, während der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 7 den 64. Teil dieses Zählwerts zugeführt bekommt. Da der Zählwert im Speicher 5 dem Quotienten f _K /2f _M entspricht, ist der in den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 übertragene Zählwert f _K /256f _M und der in den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 7 übertragene Zählwert f _K /128f _M .
• Der höchste in den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 7 gelangende Zählwert ist hier 390, was einen mindestens 9stufigen Zähler erfordert. Für den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 ist der höchste Zählwert 195; er enthält aber mindestens eine weitere Stufe über den für den Wert 195 erforderlichen 8 Stufen, ist also mindestens 9stufig aufgebaut. Die zusätzliche Stufe dient als Vorzeichenstufe. Sie führt bei positivem Vorzeichen niedriges, bei negativem Vorzeichen des Zählerstandes hohes Potential.
• Die Eingänge 61 und 71 beider Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 und 7 sind an den Taktgeneratoren 4 angeschlossen und werden im 10-MHz-Takt mit Impulsen, die sie rückwärts zählen, beaufschlagt. Jeweils wenn der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 7 den auf seinen Zählerstand 0 folgenden Impuls erhält, gibt er am Ausgang 74 ein Überlaufsignal ab, das auf die Steuereingänge 63 und 73 beider Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 und 7 gelangt und deren Rücksetzen sowie die erneute Übernahme des durch 128 bzw. 64 geteilten Zählwerts von Speicher 5 in die Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 und 7 bewirkt.
• Der Ausgang 64 der höchstwertigen Stufe des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 6 ist an den Takteingang 92 des Switched-Capacitor-Filters 9 angeschlossen. Dieser Ausgang liegt nach Übernahme jedes neuen Zählwerts immer so lange auf niedrigem Potential, bis der Zähler durch die Rückwärtsimpulse unter 0, d. h. in den negativen Zählbereich, gebracht wird. Dann springt er in den Zustand hohen Potentials. Dies geschieht, wenn die Anzahl der vom Generator 4 abgegebenen Impulse den ursprünglich übernommenen Zählwert erreicht hat, mit der Anstiegsflanke des darauffolgenden Impulses. Da der übernommene Zählwert f _K /256f _M beträgt, erfolgt der genannte Sprung theoretisch jeweils zu einem durch (1/f _K ) · (f _K /256f _M )=1/256f _M gegebenen Zeitpunkt nach dem Überlaufsignal des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 6. Praktisch ist hier wegen der digitalen Verarbeitung eine geringfügige Abweichung um 1/f _K =0,1 μs möglich. Das hohe Potential liegt nun so lange am Ausgang 64, bis das nächste Überlaufsignal am Ausgang 74 erscheint. Dieses kommt zu einem durch (1/f _K ) · (f _K /128f _M )=1/128f _M (+ evtl. 0,1 μs) festgelegten Zeitpunkt. Folglich erscheint am Ausgang 64 ein Rechtecksignal der Periodendauer 1/128f _M und der Frequenz 128f _M . Dieses Signal dient als Taktsignal für das Switched-Capacitor-Filter 9 und bewirkt, daß dessen Grenzfrequenz f _g , die immer ein Hundertstel der Taktfrequenz ist, hier bei 1,28 f _M liegt.
• Fig. 2 stellt die geschilderten Signalverläufe am Beispiel der Meßfrequenz 1000 Hz dar. Der in den Speicher 5 übertragene Zählerstand des Zählers 3 nach einer Halbperiode ist in diesem Fall 5000, was dem in Zelle a von Fig. 2 dargestellten Dualwert entspricht, einen 16stufigen Speicher vorausgesetzt.
• Die beiden Vorwärts-Rückwärts-Zähler 6 und 7, die hier als 12stufig angenommen sind, weisen unmittelbar nach Übergabe der Signale auf den Leitungen q und 53 die in den Zeilen b und c dargestellten Zählerstände auf, die den Dezimalwerten 39 und 78 entsprechen.
• In Zeile d ist das Signal des Generators 4 dargestellt. Da es eine Frequenz f _K von 10 MHz hat, entsprechen die in Zeile i eingetragenen Intervalle je 0,1 µs. Zeile e zeigt den Signalverlauf an der ersten (niedrigstwertigen) Stufe des Zählers 6. Sie wird bei einem Überlaufsignal des Zählers 7, dargestellt in Zeile h, auf 1 gesetzt, da das letzte bit in Zeile b 1 ist. In den nachfolgenden Intervallen 1-78 wechselt sie periodisch zwischen 0 und 1 hin und her. Zu Beginn des 79. Intervalls tritt wieder ein Überlaufsignal auf und setzt diese Stufe auf 1.
• In Zeile f ist das Ausgangssignal der höchstwertigen Stufe des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 6 zu sehen, das zugleich das Signal am Ausgang 64 von Fig. 1 ist. Die betreffende Stufe wird mit dem ersten Überlaufsignal in Zeile h auf 0 gesetzt und bleibt bis einschließlich des 40. Intervalls auf 0.
• Im 40. Intervall haben alle Stufen des Zählers 6 die 0-Lage angenommen. Mit Beginn des 41. Intervalls nehmen sie folglich alle den Wert 1 an, so auch die höchstwertige Stufe in Zeile f. Dieser Wert würde noch 211 Intervalle lang beibehalten werden, aber mit Beginn von Intervall 80 wird die Stufe durch das Überlaufsignal wieder auf 0 zurückgesetzt.
• Zeile g zeigt den Signalverlauf an der ersten Stufe von Zähler 7. Er ist, da das letzte bit in Zeile c 0 ist, stets gegenphasig zu dem der ersten Stufe des Zählers 6 in Zeile e. Im 79. Intervall sind alle Stufen des Zählers 7 in der 0-Lage. Daher tritt zu Beginn des 80. Intervalls das Überlaufsignal in Zeile h auf und setzt die erste Stufe des Zählers 7 auf 0 zurück.
• Am Ausgang 64 von Fig. 1 tritt also im betrachteten Beispiel ein Rechtecksignal der Periodendauer von 7,9 µs auf (Zeile f in Fig. 2). Dies entspricht einer Frequenz von 126 582 Hz. Die Grenzfrequenz f _g des Switched-Capacitor-Filters 9 leitet sich daraus zu 1265,82 Hz ab. Sie müßte theoretisch 1280 Hz betragen, doch spielt diese Abweichung, die auf einer Unsicherheit um 1 Intervall von 0,1 µs in der Periodendauer des Taktsignals beruht, keine Rolle, zumal die Periodendauer nur um diese 0,1 µs erhöht werden kann, was die Grenzfrequenz etwas nach unten verschiebt. Auf die Meßspannung, die dem Switched- Capacitor-Filter 9 über einen als Anti-Aliasing-Filter wirkenden Tiefpaß 8 zugeführt wird, hat diese Verschiebung keinen Einfluß.
• Die Anordnung eines Tiefpasses 8 vor und eines Tiefpasses 10 hinter dem Switched-Capacitor-Filter 9 ist hier wie bei der Anordnung der Hauptanmeldung getroffen, um zu verhindern, daß Anteile der Taktsignalfrequenz zum Signaleingang 91 und zum Ausgang 11 gelangen können. Die umzusetzende Meßspannung U _M wird nach ihrer Umsetzung in Rechteckspannungen durch die Begrenzerschaltung 1 direkt dem Tiefpaß 8 zugeführt. Nach Durchlaufen des Switched-Capacitor-Filters 9 erscheint sie als Sinusspannung entsprechender Frequenz, aber konstanter Amplitude an dessen Ausgang 93 und kann am Ausgang 11 des nachgeschalteten Tiefpasses 10 abgenommen werden.
• Wie bei der Hauptanmeldung kann man auch hier vor die Signalformerschaltung 2 eine Untersetzerstufe mit dem Untersetzungsfaktor 2 schalten, die bewirkt, daß nur volle Perioden der Meßspannung U _M ausgewertet werden, so daß Ungenauigkeiten in den Nulldurchgängen keine falsche Einstellung des Switched-Capacitor-Filters 9 herbeiführen. Die Frequenzteilung beim Übergang zwischen dem Speicher 5 und den Vorwärts-Rückwärts-Zählern 6 und 7 muß dann um die Faktoren 256 und 128 (statt 128 und 64) geschehen. Diese Untersetzung hat hier noch den weiteren Vorteil, daß sie die Genauigkeit, mit der die Grenzfrequenz aus der Meßfrequenz abgeleitet wird, erhöht, da sie die Auflösung um den Faktor 2 verfeinert.
• Die Zeit bis zur richtigen Einstellung der Grenzfrequenz f _g liegt bei Halbperiodenauswertung zwischen 0,15 ms für 3500 Hz und 2,5 ms für 200 Hz. Bei Auswertung ganzer Perioden verdoppelt sie sich, beträgt also maximal 5 ms. Das ist hinreichend schnell, auch beim Wobbeln, zumal bei einer Änderung der Frequenz f _M der Meßspannung keine undefinierten Zustände wie bei einer Regelung eintreten, sondern die vorhergehende Grenzfrequenz noch Bruchteile von Millisekunden bis wenige Millisekunden beibehalten wird.

Claims (5)

1. Anordnung zum Umsetzen einer Meßspannung mit sich ändernder Amplitude und innerhalb eines bestimmten Bereichs beliebiger Frequenz in eine Spannung jeweils gleicher Frequenz mit konstanter Amplitude, wobei die Meßspannung mittels einer Begrenzerschaltung zunächst in eine Rechteckspannung der jeweils gleichen Frequenz f _M umgewandelt wird und diese Rechteckspannung einem Nachlauffilter bekannter Bauart zugeführt wird, das aus einem Tiefpaß mit steuerbarer Grenzfrequenz und aus diesen durch ein aus der Frequenz f _M der Meßspannung durch Frequenzvervielfachung abgeleitetes Taktsignal steuernden Mitteln besteht, nach Patent 32 05 683, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Nachlauffilter eingesetzten Switched-Capacitor-Filter (9) bekannter Bauart, dessen Grenzfrequenz f _g durch die Frequenz f _T eines Taktsignals bestimmt ist, ein Taktsignal zugeführt wird, dessen Frequenz f _T durch die Frequenz f _M der Meßspannung dadurch gesteuert wird, daß die Periodendauer 1/f _M der Meßspannung durch Auszählen mit einem von einem Generator (4) abgegebenen Signal der konstanten Frequenz f _K ermittelt und der dem Verhältnis f _K /f _M entsprechende Zählwert um einen Faktor a untersetzt wird, der dem Doppelten des gewünschten Verhältnisses von f _T /f _M entspricht, und daß durch eine Zählerschaltung (6), die mit dem Signal der Frequenz f _K beaufschlagt wird, jeweils bei Übereinstimmung ihres Zählerstandes mit dem dem Verhältnis f _K /af _M entsprechenden Wert das abwechselnde Anlegen von niedrigem und hohem Potential an den Taktsignaleingang (92) des Switched-Capacitor-Filters (9) gesteuert wird (Fig. 1).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zählerschaltung (6) ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler eingesetzt ist, der seinen jeweiligen Anfangswert f _K /af _M mit der Frequenz f _K rückwärts zählt, daß ein zweiter Vorwärts-Rückwärts-Zähler (7) eingesetzt ist, der auf einen Anfangswert von 2f _K /af _M geladen und dann ebenfalls mit der Frequenz f _K rückwärts gezählt wird, und daß der zweite Vorwärts-Rückwärts-Zähler (7), der die Periodendauer des Taktsignals bestimmt, jeweils bei Unterschreiten seiner 0-Stellung beide Vorwärts-Rückwärts-Zähler (6 und 7) zurückstellt und das Laden mit neuen Anfangswerten f _K /af _M und 2f _K /af _M steuert, während der erste Vorwärts-Rückwärts-Zähler (6) sowohl im positiven als auch im negativen Bereich betrieben wird und der Ausgang (64) seiner Vorzeichenstufe unmittelbar das Taktsignal liefert.

3. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersetzung des Zählwerts f _K /f _M um den Faktor a bzw. a/2 dadurch bewirkt wird, daß von p Stufen eines Speichers (5), in dem dieser Zählwert gespeichert ist, nur die Ausgänge der oberen q bzw. q+1 Stufen weitergeführt sind, wobei 2p-q=a bzw. 2p-q-1=a/2 ist.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auszählen der Periodendauer 1/f _M der Meßspannung ein Zähler (3) mit p Stufen eingesetzt ist, dessen Zähleingang (32) mit dem Generator (4) der konstanten Frequenz f _K verbunden ist und dessen Steuereingang (31) an den Ausgang einer Impulsformerschaltung (2) angeschlossen ist, die aus der in eine Rechteckspannung umgewandelten Meßspannung bei einer bestimmten Phasenlage, vorzugsweise 0° bzw. 360°, ein Startsignal für den Zähler (3) ableitet und bei einer anderen Phasenlage, vorzugsweise 180°, ein an den Steuereingang (52) des Speichers (5) gelangendes Signal zur Übernahme des auf p Ausgängen des Zählers (3) anstehenden Zählwertes auf entsprechende Eingänge (51) des Speichers (5) erzeugt.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsformerschaltung (2) eine Untersetzerstufe um den Faktor 2 vorgeschaltet ist, so daß nur bei vollen Perioden der Meßspannung U _M abwechselnd Startsignale für den Zähler (3) und Übernahmesignale für den Speicher (5) aus der Meßspannung abgeleitet werden.