AT526819A1 - Messgerät und Verfahren zur Messung eines analogen elektrischen Signals - Google Patents

Abstract

Um mit einem Messgerät (1) auf einfache Weise eine Messung eines analogen elektrischen Signals (S1) mit hoher Zeitauflösung und hoher Amplitudenauflösung zu ermöglichen, ist vor- gesehen, dass das analoge elektrische Signal (S1) in einem ersten und zweiten Messkanal- pfad (MK1a, MK1b) jeweils mit einem Antialiasing-Filter (3a, 3b) gefiltert wird, dass das gefil- terte analoge elektrische Signal (S1F) im ersten und zweiten Messkanalpfad (MK1a, MK1b) jeweils mit einem A/D-Wandler (4a, 4b) mit einer vorgegebenen Zeitauflösung und einer vor- gegebenen Amplitudenauflösung digitalisiert wird, wobei die Zeitauflösung des A/D-Wandlers (4a) im ersten Messkanalpfad (MK1a) größer ist, als die Zeitauflösung des A/D-Wandlers (4b) im zweiten Messkanalpfad (MK1b) und die Amplitudenauflösung des A/D-Wandlers (4a) im ersten Messkanalpfad (MK1a) niedriger ist, als die Amplitudenauflösung des A/D-Wand- lers (4b) im zweiten Messkanalpfad (MK1b), um einen ersten digitalen Messwert (MW1a) des analogen elektrischen Signals (S1) mit hoher Zeitauflösung und einen zweiten digitalen Messwert (MW1b) des analogen elektrischen Signals (S1) mit hoher Amplitudenauflösung zu erhalten und auszugeben.

Description

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Messgerät und Verfahren zur Messung eines analogen elektrischen Signals

Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Messgerät zur Messung eines analogen elektrischen Signals, insbesondere einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes, wobei das analoge elektrische Signal in einem A/D-Wandler digitalisiert wird und der digitalisierte Wert den Messwert des analogen elektrischen Signals repräsentiert. Die Erfindung be-

trifft ebenso ein Verfahren zur Messung mit einem solchen Messgerät.

Heutige Messgeräte zur Messung einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes arbeiten großteils digital. Das zu messende Signal (elektrische Spannung oder elektrischer Strom) wird in einem Analog/Digital (A/D) Wandler digitalisiert und das digitale Signal repräsentiert dann den gemessen Wert und kann gegebenenfalls zur Messung auch weiter-

verarbeitet werden.

Ein Beispiel ist eine elektrische Leistungsmessung, beispielsweise an einer elektrischen Maschine, wofür Messwerte des elektrischen Stromes und der elektrischen Spannung benötigt werden. Die analogen elektrischen Signale können verschiedenen Messkanälen des Mess-

geräts zugewiesen sein, in denen die jeweiligen elektrischen Größen messtechnisch erfasst

werden und daraus eine elektrische Leistung ermittelt wird.

Nachdem ein Sensor die erfasste physikalische Größe üblicherweise als elektrische Größe ausgibt, beispielsweise als elektrische Spannung oder elektrischer Strom, können die analogen elektrischen Signale abhängig vom Sensortyp natürlich auch andere physikalischen Größen repräsentieren, wie beispielsweise Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, Druck, Temperatur usw. Auch in solchen Anwendungen ist aber in einem Messgerät zur Messung ein

analoges elektrisches Signal auszuwerten.

Zur A/D-Wandlung wird das analoge elektrische Signal in bekannter Weise in diskreten Zeitschritten abgetastet, womit man zeitlich aufeinanderfolgende quantisierte Werte des elektrischen Signals erhält. Es ist bekannt, dass man bei einem A/D-Wandler entweder eine hohen Zeitauflösung, also eine hohe Anzahl von Abtastungen pro Zeiteinheit, oder eine hohe Amplitudenauflösung, also eine feine Auflösung der Größe des analogen Signals, erreichen kann. Beides lässt sich mit der oftmals erforderlichen Genauigkeit nicht erreichen. Das ist bei Anwendungen, in denen man eine durchgängige hohe Genauigkeit des Messwertes (hohe

Amplitudenauflösung), als auch eine hohe Zeitauflösung benötigt, nachteilig.

Ein Beispiel hierfür ist ein Leistungsmessgerät zur Messung der elektrischen Leistung. Ein mögliches Einsatzgebiet ist die Verwendung in Prüfständen elektrischer Antriebs- und Leis-

tungstechnik. Das Leistungsmessgerät soll eine hochgenaue, durchgängige

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Leistungsmessung ermöglichen, Hierzu sind die analogen elektrischen Signale (Strom und Spannung) mit hoher Amplitudenauflösung abzutasten, womit man aber Einschränkungen in der Zeitauflösung in Kauf nehmen muss. Damit lassen sich zeitlich transiente elektrische Signale aber gar nicht oder nur eingeschränkt zeitlich auflösen. Damit wird aber die Leistungsmessung im Bereich zeitlich transienter Änderungen der elektrischen Signale ungenau. Damit ist es aber ebenso nicht möglich, parallel zur Leistungsmessung zeitlich hochaufgelöste transiente Signalverläufe der elektrischen Signale zu zeigen oder auszuwerten. Aber gerade die Analyse transienter Signalverläufe, wie sie insbesondere in Leistungselektronik aufgrund der verbauten Stromrichter (wie Wechselrichter, Gelichrichter, Umrichter) vorkommen, ist oft-

mals erwünscht oder erforderlich.

Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, auf einfache Weise eine Messung eines analogen elektrischen Signals mit hoher Zeitauflösung und hoher Amplitudenauf-

lösung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird mit einem Messgerät nach Anspruch 1 und einem Messverfahren nach Anspruch 10 gelöst. Durch die parallele A/D Wandlung des elektrischen Signals in separaten Messkanalpfaden kann das elektrische Signal gleichzeitig sowohl mit hoher Zeitauflösung, als auch mit hoher Amplitudenauflösung messtechnisch erfasst werden. Das ermöglicht es, dass elektrische Signal nicht nur hochgenau zu verarbeiten, sondern insbesondere auch hin-

sichtlich transienter Signalverläufe zu untersuchen.

Es ist sehr vorteilhaft, wenn die A/D-Wandler im ersten und zweiten Messkanalpfad zeitlich synchronisiert sind, weil damit zeitlich hoch synchronisierte Messwerte erzeugt werden können, die einfach zueinander in Bezug gesetzt werden können. Damit können die Messwerte

der Messkanalpfade einfach weiterverarbeitet werden und auch kombiniert werden.

Es ist ebenso sehr vorteilhaft, wenn am Messgerät ein Triggereingang vorgesehen ist und am Triggereingang ein Triggersignal anlegbar ist oder im Messgerät eine Triggereinheit vorgesehen ist, die aus dem elektrischen Signal nach einem vorgegebenen Triggerkriterium ein Triggersignal ableitet, wobei das Triggersignal die Ausgabe der ersten digitalen Messwerte oder der zweiten digitalen Messwerte für eine vorgegebene Zeitdauer triggert. Mit einem Triggersignal kann die Ausgabe von Messwerten eines Messkanalpfades gezielt angestoßen werden, beispielsweise um zeitlich hochtransiente Signalverläufe zu erfassen. Damit kann auch die vom Messgerät ausgegebene Dantemenge reduziert werden, was die Weiterverarbeitung der Messwerte erleichtert. Auf diese Weise kann auch eine Oszilloskopfunktion reali-

siert werden, die es ermöglicht, Messwerte gezielt zur Darstellung zu erzeugen.

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Die gezielte Ausgabe der Messwerte kann auf verschiedene Weisen erfolgen, beispielsweise durch Ansteuern einer Recheneinheit, Speichereinheit oder eines A/D Wandlers des Mess-

geräts mit dem Triggersignal.

Das Messgerät kann einfach um weitere Messkanaleingänge und damit verbundenen weite-

ren Messkanälen erweitert werden.

Die Flexibilität des Messgeräts kann erhöht werden, wenn die Zeitauflösung und/oder die Amplitudenauflösung eines A/D-Wandlers, vorzugsweise jedes A/D-Wandlers, in einem

Messkanal des Messgeräts einstellbar ist.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestal-

tungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

Fig.1 ein erfindungsgemäßes Messgerät zur Messung eines analogen elektrischen Signals,

Fig.2 eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Messgeräts,

Fig.3 eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Messgeräts mit externem Triggereingang,

Fig.4 eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Messgeräts mit interner Triggereinheit,

Fig.5 eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Messgeräts mit mehreren Messkanälen mit jeweils zwei Messkanalpfaden und

Fig.6 die Verwendung eines erfindungsgemäßen Messgeräts zur Bestimmung einer

elektrischen Leistung.

Fig.1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messgerät 1 zur Messung eines analogen elektrischen Signals S1, insbesondere einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes. Das Messgerät 1 weist zumindest einen ersten Messkanal K1 auf. Üblicherweise hat ein Messgerät 1 aber eine Mehrzahl n Messkanäle K1, ..., Kn. In weiterer Folge wird das Messgerät 1 ohne Einschränkung der Allgemeinheit in einer Ausführung mit einem ersten Messkanal K1

beschrieben.

Am Messgerät 1 ist für den ersten Messkanal K1 ein erster Messkanaleingang E1 vorgesehen. In einer Ausführung mit mehreren Messkanälen K1, ..., Kn wäre natürlich für jeden

Messkanal K1, ..., Kn ein Messkanaleingang E1, ..., En vorgesehen. Über den Messkanaleingang K1 kann ein analoges elektrisches Signal S1 angelegt werden, das mit dem Messgerät 1 gemessen werden soll. Das analoge elektrische Signal S1 soll hinsichtlich des zeitli-

chen Verlaufs seines Wertes (Pegels) erfasst werden, also mit einer Zeitauflösung und einer

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Amplitudenauflösung. Hierzu ist üblicherweise am Messgerät 1 ein geeigneter Anschluss für ein Signalkabel 2 vorgesehen, an dem das das elektrische Signal S1 führende Signalkabel 2 angeschlossen werden kann, wie in Fig.1 angedeutet. Das Signalkabel 2 ist aber nicht zwin-

gend Teil des Messgeräts 1.

Das analoge elektrische Signal S1 muss kein zeitlich periodisches Signal sein. Unter „Amplitude“ wird damit allgemein der Wert des elektrischen Signals S1 zu einem bestimmten

Zeitpunkt verstanden, was positive und negative Werte, sowie auch den Wert Null umfasst.

In vielen Anwendungen, insbesondere in leistungstechnischen Anwendungen, ist das zu messende elektrische Messsignal in seinem Spannungspegel zu groß, um in einem Messgerät 1 direkt gemessen werden zu können. Auch aus Sicherheitsgründen wird danach getrachtet, keine großen elektrischen Messsignale direkt zu messen. Ein Beispiel hierfür sind Hochspannungsanwendungen, bei denen elektrische Spannungen von 1000V Effektivwert (RMS) und darüber auftreten können. Es ist daher üblich, das eigentliche elektrische Messsignal in eine Niederspannung, Kleinspannung oder Sicherheitskleinspannung, also in eine dauernd zulässige und nicht lebensbedrohliche Berührungsspannung für erwachsene Menschen, zu wandeln und das gewandelte elektrische Messsignal als analoges elektrisches Signal S1 zu messen. Die Signalwandlung erfolgt in einem definierten Verhältnis, sodass aus dem analogen elektrischen Signal S1 auf das eigentliche Messsignal rückgeschlossen werden kann. Zur Signalwandlung eigenen sich beispielsweise Hochspannungsteiler, wie bei-

spielsweise Hochspannungsspannungsteiler.

Im Messgerät 1 ist im ersten Messkanal K1 ein erster Messkanalpfad MK1a und ein zweiter Messkanalpfad MK1b vorgesehen. Jeder der Messkanalpfade MK1a, MK1b ist mit dem ersten Messkanaleingang E1 verbunden, sodass das am ersten Messkanaleingang E1 anlie-

gende analoge elektrische Signal S1 beiden Messkanalpfaden MK1a, MK1b zugeführt wird.

Im ersten Messkanalpfad MK1a und im zweiten Messkanalpfad MK1a, MK1b ist jeweils ein Antialiasing-Filter 3a, 3b vorgesehen, in denen das analoge elektrische Signal S1 in Vorbereitung der A/D-Wandlung jeweils zu einem gefilterten analogen elektrischen Signal S1r gefiltert wird. Ein Antialiasing-Filter 3a, 3b ist hinlänglich bekannt und ist üblicherweise als Tiefpassfilter ausgeführt, um das im analogen elektrischen Signal S1 enthalten Frequenzband nach oben zu begrenzen, was für die nachfolgende Abtastung wichtig ist, beispielsweise aufgrund des Nyquist-Shannon-Abtasttheorems. Die Wahl der Grenzfrequenz eines solchen Tiefpassfilters ist abhängig vom analogen elektrischen Signal S1 und kann im Messgerät 1

auch konfigurierbar sein.

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Die Antialiasing-Filter 3a, 3b in den beiden Messkanalpfaden MK1a, MK1b müssen aber nicht zwingend gleich sein. Es ist beispielsweise denkbar, dass unterschiedliche Typen eines Antialiasing-Filters 3a, 3b verwendet werden oder dass unterschiedliche Filtercharakteristika, wie unterschiedliche Grenzfrequenzen, vorgesehen sind. Die gefilterten analogen elektrischen Signal S1r in den Messkanalpfaden MK1a, MK1b müssen daher nicht zwingend gleich

sein.

Es ist auch denkbar, ein Antialiasing-Filter 3a, 3b über einen Schalter und eine Bypass-Leitung um das Antialiasing-Filter 3a, 3b herum zu überbrücken. Das kann beispielsweise gemacht werden, um die Effekte des Antialiasing-Filters 3a, 3b in der Kalibrierung des Messgeräts 1 nicht präsent zu haben. Während der normalen Messung sind die Antialiasing-Filter 3a, 3b in den Messkanalpfaden MK1a, MK1b vorhanden und filtern jeweils das zugeführte

analoge elektrische Signal S1.

Nach dem Antialiasing-Filter 3a, 3b ist in jedem Messkanalpfad MK1a, MK1b ein A/D-Wandler 4a, 40 vorgesehen. Die A/D-Wandler 4a, 4b erhalten damit an deren Eingang jeweils ein im zugehörigen Antialiasing-Filter 3a, 3b gefiltertes analoges elektrisches Signal S1r. Die Ausführung der A/D-Wandler 4a, 4b ist für die Erfindung unerheblich und es kann jeder ge-

eignete A/D-Wandler 4a, 4b eingesetzt werden.

Ein A/D-Wandler 4a, 4b tastet das an dessen Eingang anliegende gefilterte analoge elektrische Signal S1r in vorgegebenen Zeitschritten ab. Das bedeutet, dass der A/D-Wandler 4a, 4b zu jedem Abtastzeitpunkt der A/D-Wandlung den Wert der Amplitude des gefilterten analogen elektrischen Signals S1r bestimmt, sodass man am Ausgang als Messwerte eine zeitli-

che Abfolge von quantisierten Werten der Amplitude erhält.

Jeder A/D-Wandler 4a, 4b arbeitet mit einer vorgegebenen Zeitauflösung und einer vorgegebenen Amplitudenauflösung. Die Zeitauflösung bestimmt, wie viele Abtastungen pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde, gemacht werden. Um transiente, also sich sehr schnell ändernde, Signale gut auflösen zu können, ist eine hohe Zeitauflösung erforderlich. Die Amplitudenauflösung bestimmt, in wie vielen diskreten Quantisierungsstufen der Messbereich des A/D-Wandler 4a, 4b, also damit auch das Signal S1r, aufgelöst wird. Für eine sehr genaue Messung ist damit eine hohe Amplitudenauflösung erforderlich. Eine hohe Zeitauflösung und eine hohe Amplitudenauflösung sind aber in der Regel nicht gleichzeitig möglich, vor allem wegen Beschränkungen in der Schnelligkeit der A/D-Wandler selbst, aber auch aufgrund der erzeugten Datenmenge und der Weiterverarbeitung der erzeugten Daten-

menge.

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Um trotzdem eine hohe Zeitauflösung und eine hohe Amplitudenauflösung des gefilterten analogen elektrischen Signals S1: zu ermöglichen, sind die beiden Messkanalpfade MK1a, MK1b vorgesehen, die das gefilterte analoge elektrische Signal S1r parallel und unabhängig voneinander A/D wandeln. Hierzu ist vorgesehen, dass im ersten Messkanalpfad MK1a die Zeitauflösung des A/D-Wandlers 4a größer ist, als die Zeitauflösung des A/D-Wandlers 4b im zweiten Messkanalpfad MK1b. Gleichzeitig ist vorgesehen, dass im ersten Messkanalpfad MK1b die Amplitudenauflösung des A/D-Wandlers 4a niedriger ist, als die Amplitudenauflösung des A/D-Wandlers 4b im zweiten Messkanalpfad MK1b. Damit kann ein erster digitaler Messwert MW1a des analogen elektrischen Signals S1 mit hoher Zeitauflösung und ein zweiter digitaler Messwert MW1b des analogen elektrischen Signals S2 mit hoher Amplitudenauflösung erzeugt und am Messgerät 1 ausgeben werden. Das elektrische Signal S1

liegt damit in Form zweier digitaler Messwerte MW1a, MW1b vor.

Für die Ausgabe der digitalen Messwerte MW1a, MW1b ist am Messgerät 1 für den ersten Messkanal K1 ein erster Messkanalausgang A1 vorgesehen. In Fig.1 ist für jeden Messka-

nalpfad MK1a, MK1b ein Ausgang A1 vorgesehen.

Der Messkanalausgang A1 ist vorzugsweise als Datenbus ausgeführt, über den die digitalen Messwerte MW1a, MW1b in Datenpaketen des Datenkommunikationsprotokolls des Datenbusses übertragen werden. Es kann damit auch ein Messkanalausgang A1 vor beide Messkanalpfade MK1a, MK1b vorgesehen sein. Der Messkanalausgang A1 kann aber auch belie-

big anders ausgeführt sein.

In einer beispielhaften Ausgestaltung des Messgeräts 1 ist der erste A/D-Wandler 4a im ersten Messkanalpfad MK1a beispielsweise als Wandler mit 100 MS/s, 14-bit ausgeführt und mit einem Antialiasing-Filter 3a mit einer Bandbreite von 20 MHz kombiniert und der zweite A/D-Wandler 4b des zweiten Messkanalpfades MK1b als Wandler mit 12 Ms/s, 18-bit und mit einem Antialiasing-Filter 3b mit einer Bandbreite von 1MHz kombiniert. Der erste A/D-Wandler 4a hat damit eine höhere Zeitauflösung (100 Megasample pro Sekunde) als der zweite A/D-Wandler 4b (12 Megasample pro Sekunde). Dafür hat der erste A/D-Wandler eine niedrigere Amplitudenauflösung (14-bit, also 16.384 Quantisierungsstufen) als der zweite A/DWandler 4b (18-bit, also 262.144 Quantisierungsstufen). Natürlich sind auch andere Zeitauf-

lösungen und Amplitudenauflösungen denkbar und möglich.

Die Zeitauflösung und/oder die Amplitudenauflösung eines A/D-Wandlers 4a, 4b, vorzugsweise jedes A/D-Wandlers 4a, 4b, in einem Messkanal K1 des Messgeräts 1 können auch einstellbar sein. Beispielsweise kann das Messgerät 1 eine Nutzerschnittstelle 6 aufweisen, wie in der Ausführung der Fig.2 dargestellt, über die die Zeitauflösung und/oder die Amplitu-

denauflösung eines A/D-Wandlers 4a, 4b konfiguriert werden kann. Über diese

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Nutzerschnittstelle 6 könnte auch ein Antialiasing-Filter 3a, 3b konfiguriert werden, beispiels-

weise die Bandbreite des Filters.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die A/D-Wandler 4a, 4b im ersten und zweiten Messkanalpfad MK1a, MK1b zeitlich synchronisiert sind. Das bedeutet, dass die Abtastzeitpunkte in den beiden A/D-Wandlern 4a, 4b synchron zueinander sind. Das ermöglicht zeitlich hoch synchronisierte Messwerte MW1a, MW1b in den beiden Messkanalpfaden MK1a, MK1b, was in der nachfolgenden Weiterverarbeitung der beiden Messwerte MW1a, MW1b vorteilhaft ist, Insbesondere, wenn man die beiden Messwerte MW1a, MW1b miteinander kombinieren oder in zeitlichen Bezug zueinander darstellen möchte. Die zeitliche Synchronisation lässt sich beispielsweise realisieren, in dem die beiden A/D-Wandler 4a, 4b im Messgerät 1

mit der gleichen synchronisierten Systemtaktrate getaktet werden.

Im Messgerät 1 kann auch eine Recheneinheit 7 vorgesehen sein, wie in Fig.2 dargestellt, beispielsweise eine mikroprozessorbasierte Hardware oder ein integrierter Schaltkreis, wie ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Die Recheneinheit 7 kann auch die Verbindung des Messkanals K1 zu ei-

nem Datenbus herstellen.

Die Recheneinheit 7 kann auch mit einer Speichereinheit 9 ausgeführt sein. Die Speichereinheit 9 kann aber auch als separater Bauteil im Messgerät 1 enthalten sein und gegebenenfalls mit der Recheneinheit 7 verbunden sein. Die Speichereinheit 9 ermöglicht es, digitalisierte Messwerte MW1a, MW1b zwischenzuspeichern und zwischengespeicherte Messwerte MWA1A, MW1b über den Messkanalausgang A1 auszugeben, beispielswiese in größeren Da-

tenpaketen über einen Datenbus.

Die Nutzerschnittstelle 6 kann auch mit der Recheneinheit 7 verbunden sein, sodass die Konfiguration eines A/D-Wandlers 4a, 4b und/oder eines Antialiasing-Filters 3a, 3b über die

Recheneinheit 7 erfolgen kann.

In zumindest einem Messkanalpfad MK1a, MK1b eines Messkanals K1 kann auch nach dem A/D-Wandler 4a, 4b eine digital Filtereinheit 5a, 5b vorgesehen sein, wie in Fig.2 dargestellt. Eine solche digitale Filtereinheit 5a, 5b kann als Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR) oder Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR) ausgeführt sein, wobei das aber keine Einschränkung darstellt. Die digitale Filtereinheit 5a, 5b kann eine beliebige Filterfunktion realisieren, wie einen Hochpass oder Bandpass. Die digitalen Filtereinheitein 5a, 5b können über die Nutzerschnittstelle 6 oder über die Nutzerschnittstelle 6 und eine Recheneinheit 7 konfigu-

rierbar sein, beispielsweise um eine Filtercharakteristik einzustellen.

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Am Messgerät 1 kann ein Triggereingang T1 vorgesehen sein, an dem ein externes Triggersignal TS1 anlegbar ist, wie in Fig.3 dargestellt. Das Triggersignal TS1 kann ein beliebiges

elektrisches Signal sein, beispielsweise ein elektrische Spannungsimpuls. Das Triggersignal TS1 kann ein analoges oder digitales Signal sein. Der Triggereingang T1 kann aber als eine Anbindung zu einem Datenbus ausgeführt sein und ein Triggersignal TS1 in Form einer über

den Datenbus gesendeten Datennachricht erhalten.

Über das Triggersignal TS1 kann die Ausgabe von digitalen Messwerte MW1a, MW1b eines Messkanalpfades MK1a, MK1b getriggert werden, was auf unterschiedliche Weisen implementiert sein kann. Beispielsweise kann mit dem Triggersignal TS1 ein A/D-Wandler 4a, 4b ein oder ausgeschaltet werden oder es kann mit dem Triggersignal TS1 die Datenausgabe von gespeicherten digitalen Messwerten MW1a, MW1b über den Messkanalausgang A1 an-

gestoßen oder gestoppt werden.

Der Triggereingang T1 ist hierfür beispielsweise mit der Recheneinheit 7 oder der Speichereinheit 9 verbunden. Die A/D-Wandler 4a, 4b wandeln das analoge elektrische Signal S1 kontinuierlich und die erzeugten digitalen Messwerte MW1a, MW1b zumindest eines Messkanalpfades MK1a, MK1b werden in einer Speichereinheit 9 zwischengespeichert, gegebenenfalls auch in einem Ringbuffer. Über das Triggersignal TS1 wird die Ausgabe der erzeugten gespeicherten digitalen Messwerte MW1a, MW1b des Messkanalpfades MK1a, MK1b für eine vorgegebene Zeitdauer angestoßen. Das kann auch ohne vorherige Zwischenspeicherung in einer Speichereinheit 9 erfolgen, indem die Datenausgabe eines Messkanalpfades

MK1a, MK1b über den Messkanalausgang A1 für eine vorgegebene Zeitdauer aktiviert wird.

Der Triggereingang T1 kann aber auch mit dem A/D-Wandler 4a im ersten Messkanalpfad MK1a oder mit dem zweiten A/D-Wandler 4b im zweiten Messkanalpfad MK1b verbunden sein (wie in Fig.3 gestrichelt angedeutet), vorzugsweise mit dem A/D-Wandler 4a, 4b mit der höheren Zeitauflösung, und steuert diesen A/D-Wandler 4a, 4b an. Über das Triggersignal TS1 kann der damit angesteuerte A/D-Wandler 4a, 4b aktiviert werden. Das bedeutet, dass der A/D-Wandler 4a, 4b normalerweise inaktiv ist, also keine A/D-Wandlung ausführt. Erst wenn ein Triggersignal TS1, beispielsweise ein Impuls, von extern an den Triggereingang T1 angelegt wird, wird der damit angesteuerte A/D-Wandler 4a, 4b im ersten oder zweiten Messkanalpfad MK1a, MK1b für eine vorgegebene Zeitdauer aktiviert. Me die erfassten

Messwerte MW1a, MW1b dabei ausgegeben werden, spielt hier aber keine Rolle.

Das Triggersignal TS1 kann beispielsweise dazu genutzt werden, Messwerte MW1a, MW1b mit hoher Zeitauflösung nur dann zu erzeugen, wenn es im analogen elektrischen Signal S1 transiente Vorgänge gibt, die man erfassen möchte. Damit kann auch die ausgegebene Da-

tenmenge reduziert werden. Das ermöglicht auch eine Oszilloskopfunktion mit den

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getriggerten Messwerten MW1a, MW1b, wobei die Triggerung auf ein bestimmtes Ereignis im analogen elektrischen Signal S1, beispielsweise ein emulierter Fehlerfall wie Phasenbruch oder Kurzschluss in einem Elektromotor, oder auf das Einbringen von definierten Stör-

signalen in das analoge elektrische Signal S1 abgestimmt sein kann.

In einer anderen Ausgestaltung ist im Messgerät 1 eine Triggereinheit 8 vorgesehen, wie in Fig.4 dargestellt. Wie die erfassten Messwerte MW1a, MW1b vom Messgerät 1 ausgegeben werden, spielt hier aber keine Rolle. Die Triggereinheit 8 kann auch zusätzlich zu einer Recheneinheit 7 und/oder Speichereinheit 9 vorgesehen sein. Die Triggereinheit 8 kann auch in der Recheneinheit 7, sofern vorhanden, integriert sein, oder als auf der Recheneinheit 7 lau-

fenden Software ausgeführt sein.

Die Triggereinheit 8 erhält das elektrische Signal S1 und leitet aus dem Signal S1 nach einem vorgegebenen Triggerkriterium ein Triggersignal TS1 ab und gibt das Triggersignal TS1 an einem Triggersignalausgang TA1 der Triggereinheit 8 aus. Der Triggereinheit 8 kann grundsätzlich das analoge elektrische Signal S1 oder das gefilterte elektrische Signal S1r (wie in Fig.4 gestrichelt angedeutet) zugeführt werden, vorzugsweise aber das digitalisierte Signal S1 eines Messkanalpfades MK1a, Mk1b in Form der digitalen Messwerte MW1a, MW1b. Das Triggerkriterium kann beispielsweise eine Spannungs- oder Stromschwelle sein, oder ein bestimmte zeitliche Änderungsrate des elektrischen Signals S1, um zeitlich transiente Signalverläufe zu erfassen. Das kann beispielsweise dazu genutzt werden, Messwerte MW1a, MW1b mit hoher Zeitauflösung nur dann zu erzeugen, wenn es im analogen elektrischen Signal $1 transiente Vorgänge gibt, die man erfassen möchte. Das in der Triggereinheit 8 erzeugte Triggersignal TS1 kann genauso verwendet werden, wie oben in Bezug auf die Fig.3 beschrieben. Der Triggersignalausgang TA1 der Triggereinheit 8 kann hierzu mit einer Recheneinheit 7, einer Speichereinheit 9 oder mit einem A/D-Wandler 4a, 4b im Messkanal K1, vorzugsweise mit dem A/D-Wandler 4a, 4b mit der höheren Zeitauflösung, verbunden sein und steuert die Recheneinheit 7 oder Speichereinheit 9 oder diesen A/D-Wandler

4a, 4b zur Ausgabe von digitalen Messwerten MW1a, MW1b an.

Falls im Messgerät 1 mehrere Messkanäle K1, ..., Kn vorgesehen sind, dann können mehrere dieser Messkanäle, vorzugsweise auch alle Messkanäle K1, ..., Kn wie in Fig.5, wie oben mit Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 erläutert ausgeführt sein. Dabei können bedarfsweise auch mehrere Triggereingänge T1, ..., Tn oder auch mehrere Triggereinheiten 8, pro so implementierten Messkanal K1, ..., Kn je einer, vorgesehen sein. Ebenso können auch mehrere Recheneinheiten 7 oder Speichereinheiten 9 vorgesehen sein. In Fig.5 sind keine Triggereinheiten 8 oder Triggereingänge T1, T2 dargestellt, könnten aber natürlich vorgesehen sein. Ebenso sind in Fig.5 keine digitale Filtereinheit 5a, 5b dargestellt, obwohl

auch diese in den Messkanälen K1, K2 vorgesehen sein könnten.

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Die Antialiasing-Filter 3a, 3b in den einzelnen Messkanälen K1, K2 müssen auch nicht gleich ausgeführt oder konfiguriert sein. Das gilt gleichermaßen auch für die A/D-Wandler 4a, 4b

und/oder für mögliche digitale Filtereinheiten 5a, 5b.

Bei einem Messgerät 1 mit zumindest zwei Messkanälen K1, K2, wie in Fig.5, kann ein Messkanal K1 zur Messung einer elektrischen Spannung als erstes analoges elektrisches Signal S1 und der andere Messkanal K2 zur Messung eines elektrischen Stromes als zweites analoges elektrisches Signals S2 verwendet werden. Die Messwerte mit hoher Amplitudenauflösung, beispielsweise die Messwerte MW1b, MW2b im zweiten Messkanalpfad MK1b, MK2b können dann kombiniert werden, um daraus hochgenau eine elektrische Leitung zu bestimmen. Parallel können die Messwerte mit hoher Zeitauflösung, beispielsweise die Messwerte MW1a, MW2a im jeweiligen ersten Messkanalpfad MK1a, MK2a verwendet werden, um zusätzlich transiente Signalverläufe zu untersuchen und/oder darzustellen. Das kann aufgrund der parallelen Messkanalpfade MK1a, MK1b und MK2a, MK2b mit hoher zeitlicher Synchronität zur ermittelten Leistung erfolgen. Die Messwerte mit hoher Zeitauflösung, beispielsweise die Messwerte MW1a, MW2a im jeweiligen ersten Messkanalpfad MK1a, MK2a, können auch verwendet werden, um die Leistungsbestimmung während zeitlich transienter Signalverläufen zu unterstützen. Hierzu kann auch ein Trigger wie oben beschrieben

vorgesehen sein.

Die Kombination der Messwerte MW1b, MW2b kann im Messgerät 1 erfolgen, beispielsweise in der Recheneinheit 7. In diesem Fall kann das Messgerät 1 auch eine elektrische Leistung ausgeben. Die Kombination der Messwerte MW1b, MW2b kann aber auch in einer

externen Auswerteinheit 10 erfolgen, wie in der Ausführung nach Fig.5.

In der Ausführung der Fig.5 werden die digitalen Messwerte MW1a, MW1b, MW2a, MW2b von den Messkanalausgängen A1, A2 aller Messkanäle K1, K2 über einen Datenbus 11 übertragen. Es könnte aber auch nur ein Messkanalausgang A für alle Messkanäle K1, K2

vorgesehen sein.

Die Übertragung der Messwerte MW1a, MW1b, MW2a, MW2b zur Auswerteeinheit 10 könnte auch galvanisch getrennt ausgeführt sein, um eine hohe elektrische Isolation zum

analogen elektrischen Signal S1 zu erzielen.

Mit Fig.6 ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen Messgeräts 1 am Beispiel einer Leistungsmessung an einem Elektromotor 12 dargestellt. Der Elektromotor 12 wird von einem

Stromrichter 11 dreiphasig mit elektrischen Phasenspannungen U1, U2, U3 und Phasenströmen 11, 12, 13 angesteuert. Zur Bestimmung der elektrischen Leistung in jeder Phase sind die

Phasenspannungen U1, U2, U3 und Phasenströmen 11, 12, 13 zu messen. Die

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Phasenspannungen U1, U2, U3 werden einem Signalwandler 13 (beispielsweise ein Spannungsteiler wie in Fig.6 gestrichelt angedeutet) zugeführt, in dem die hohen Spannungen auf niedrige Spannungen gewandelt werden. Die gewandelten niedrigen Spannungen stellen die analogen elektrischen Signale S1, $2, S3 dar. Die Phasenströmen 11, 12, 13 werden mit Stromwandlern W1, W2, W3 erfasst, und gegebenenfalls dabei schon auf niedrigere Ströme

gewandelt, um die analogen elektrischen Signale S4, S5, S6 zu erhalten. Die derart erzeug-

ten analogen elektrischen Signale $S1, ..., S6 werden einem erfindungsgemäßen Messgerät 1 mit zumindest sechs Messkanälen K1, ..., K6 zugeführt. Analog dazu könnten die analogen elektrischen Signale S1, ..., S6 auch mehreren erfindungsgemäßen Messgeräten 1 mit entsprechend weniger Messkanälen K1, ..., K6 zugeführt werden, beispielsweise zwei Mess-

geräten 1 mit jeweils drei Messkanälen K1, K2, K3. Zumindest einer der Messkanäle K1, ..., K6, vorzugsweise alle Messkanäle K1, ..., K6, ist wie oben mit Bezugnahme auf eine der Fig.1 bis 4 ausgeführt. Damit erzeugt zumindest einer der Messkanäle K1, ..., K6, vorzugsweise alle Messkanäle K1, ..., K6 (wie in Fig.6), Messwerte MW1a, MW1b, ..., MW6a, MW6b mit unterschiedlicher Zeitauflösung und Amplitudenauflösung. In der Ausführung nach Fig.6 werden die Messwerte MW1a, MW1b, ..., MW6a, MW6b galvanisch getrennt über Lichtwellenleiter an die Auswerteeinheit 10 übertragen. In der Auswerteeinheit 10 werden aus den Messwerten MW1a, MW1b, ..., MW6a, MW6b die gesuchten elektrischen Leistungen P1, P2, P3 ermittelt.

Es sei angemerkt, dass die analogen elektrischen Signale S1, S2, S3, auch im Ausführungsbeispiel nach Fig.6, auch massefrei an das Messgerät 1 übertragen werden könnten, um eine hohe elektrische Isolation zur Schutzerde zu erhalten. In diesem Fall kann es auch erforderlich sein, die Phasenspannungen U1, U2, U3 aufeinander bezogen zu erfassen, wenn es kein Referenzpotential, wie Masse oder einen Neutralleiter, gibt. Dabei könnten beispielsweise in den Messkanälen K1, K2, K3 Spannungen U12, U13, U23 erfasst werden. Das än-

dert aber nichts am Aufbau des Messgeräts 1.

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Claims (16)

15 20 25 30 35 AV-4383 AT Patentansprüche

1. Messgerät zur Messung eines analogen elektrischen Signals ($S1), insbesondere einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes, wobei das analoge elektrische Signal ($1) in einem A/D-Wandler (4a, 4b) digitalisiert wird und der digitalisierte Wert den Messwert (MW1a, MW1b) des analogen elektrischen Signals ($1) repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge elektrische Signal (S1) an einem ersten Messkanaleingang (E1) eines ersten Messkanals (K1) des Messgeräts (1) anlegbar ist, dass der Messkanaleingang (E1) mit einem ersten Messkanalpfad (MK1a) und einem zweiten Messkanalpfad (MK1b) im Messgerät (1) verbunden ist, dass im ersten Messkanalpfad (MK1a) und im zweiten Messkanalpfad (MK1b) jeweils ein Antialiasing-Filter (3a, 3b) vorgesehen ist, um bei anliegendem analogen elektrischen Signal (S1) das analoge elektrische Signal (S$1) im ersten und zweiten Messkanalpfad (MK1a, MK1b) mit dem jeweiligen Antialiasing-Filter (3a, 3b) jeweils zu einem gefilterten analogen elektrischen Signal (S1r) zu filtern, dass im ersten und zweiten Messkanalpfad (MK1a, MK1b) nach dem Antialiasing-Filter (3a, 3b) jeweils ein A/DWandler (4a, 4b) mit einer vorgegebenen Zeitauflösung und einer vorgegebenen Amplitudenauflösung vorgesehen ist, um im ersten und zweiten Messkanalpfad (MK1a, MK1b) bei anliegendem analogen elektrischen Signal ($S1) das gefilterte analoge elektrische Signal (S1r) jeweils zu digitalisieren, dass im ersten Messkanalpfad (MK1a) die Zeitauflösung des A/D-Wandlers (3a) größer ist, als die Zeitauflösung des A/D-Wandlers (3b) im zweiten Messkanalpfad (MK1b) und im ersten Messkanalpfad (MK1a) die Amplitudenauflösung des A/DWandlers (3a) niedriger ist, als die Amplitudenauflösung des A/D-Wandlers (3b) im zweiten Messkanalpfad (MK1b), um bei anliegendem analogen elektrischen Signal ($S1) einen ersten digitalen Messwert (MW1a) des analogen elektrischen Signals (S1) mit hoher Zeitauflösung und einen zweiten digitalen Messwert (MW1b) des analogen elektrischen Signals (S1) mit hoher Amplitudenauflösung zu erhalten und dass das Messgerät (1) eingerichtet ist, den

ersten digitalen Messwert (MW1a) und den zweiten digitalen Messwert (MW1b) auszugeben.

2. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die A/D-Wandler (4a,

4b) im ersten und zweiten Messkanalpfad (MK1a, MK1b) zeitlich synchronisiert sind.

3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Messgerät (1) ein Triggereingang (T1) vorgesehen ist und am Triggereingang (T1) ein Triggersignal (TS1) anlegbar ist oder im Messgerät (1) eine Triggereinheit (8) vorgesehen ist, die bei anliegendem analogen elektrischen Signal (S1) aus dem analogen elektrischen Signal (S1) oder dem gefilterten analogen elektrischen Signal (S1:) oder aus dem digitalen Messwert (MW1a,

MW1b) eines der Messkanalpfade (MK1a, MK1b) nach einem vorgegebenen

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Triggerkriterium ein Triggersignal (TS1) ableitet, wobei das Triggersignal (TS1) die Ausgabe der ersten digitalen Messwerte (MK1a) oder der zweiten digitalen Messwerte (MK1b) für eine

vorgegebene Zeitdauer triggert.

4. Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Triggereingang (T1) oder die Triggereinheit (8) mit einer Recheneinheit (7) verbunden ist und die Recheneinheit (7) eingerichtet ist, digitale Messwerte (MW1a, MW1b) vom A/D-Wandler (4a, 4b) im ersten oder zweiten Messkanalpfad (MK1a, MK1b) zu erhalten und die erhaltenen digitalen Messwerte (MW1a, MW1b) bei Erhalt eines Triggersignals (TS1) am Triggereingang (T1) oder von

der Triggereinheit (8) für die vorgegebene Zeitdauer auszugeben.

5. Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Triggereingang (T1) oder die Triggereinheit (8) mit einer Speichereinheit (9) verbunden ist und die Speichereinheit (9) eingerichtet ist, digitale Messwerte (MW1a, MW1b) vom A/D-Wandler (4a, 4b) im ersten oder zweiten Messkanalpfad (MK1a, MK1b) zu erhalten und zwischenzuspeichern und die erhaltenen digitalen Messwerte (MW1a, MW1b) bei Erhalt eines Triggersignals (TS1) am Triggereingang (T1) oder von der Triggereinheit (8) für die vorgegebene Zeitdauer auszuge-

ben.

6. Messgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (9) mit einer Recheneinheit (7) des Messgeräts (1) verbunden ist und die Recheneinheit (7) eingerichtet ist, das Triggersignal (TS1) zu empfangen und die Recheneinheit (7) eingerichtet

ist, die Speichereinheit (9) zur Ausgabe der digitalen Messwerte anzusteuern.

7. Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Triggereingang (T1) oder die Triggereinheit (8) mit dem A/D-Wandler (4a, 4b) im ersten Messkanalpfad (MK1a) oder im zweiten Messkanalpfad (MK1b) verbunden ist und ein am Triggereingang (T1) anliegendes oder von der Triggereinheit (8) erhaltenes Triggersignal (TS1) den A/D-Wandler (4a, 4b) im ersten Messkanalpfad (MK1a) und/oder zweiten Messkanalpfad (MK1b) für eine vor-

gegebene Zeitdauer aktiviert.

8. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden., dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät (1) zumindest einen weiteren Messkanaleingang (E2) und einen damit verbundenen weiteren Messkanal (K2) aufweist und der zumindest eine weitere Messkanal (K2) wie der erste Messkanal (K1) ausgeführt ist.

9. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zeitauflösung und/oder die Amplitudenauflösung eines A/D-Wandlers (4a, 4b), vorzugsweise

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jedes A/D-Wandlers (4a, 4b), in einem Messkanal (MK1a, MK1b) des Messgeräts (1) ein-

stellbar ist.

10. Verfahren zur Messung eines analogen elektrischen Signals ($1), insbesondere einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes, wobei das analoge elektrische Signal ($1) in einem A/D-Wandler (4a, 4b) digitalisiert wird und der digitalisierte Wert den Messwert (MW1a, MW1b) des analogen elektrischen Signals ($1) repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge elektrische Signal (S1) an einem ersten Messkanaleingang (E1) eines ersten Messkanals (K1) des Messgeräts (1) angelegt wird, dass das angelegte analoge elektrische Signal ($1) in einem ersten Messkanalpfad (MK1a) und in einem zweiten Messkanalpfad (MK1b) des ersten Messkanals (K1) jeweils mit einem AntialiasingFilter (3a, 3b) gefiltert wird, und dass das gefilterte analoge elektrische Signal (S1r) im ersten Messkanalpfad (MK1a) und zweiten Messkanalpfad (MK1b) jeweils mit einem A/DWandler (4a, 4b) mit einer vorgegebenen Zeitauflösung und einer vorgegebenen Amplitudenauflösung digitalisiert wird, wobei die Zeitauflösung des A/D-Wandlers (4a) im ersten Messkanalpfad (MK1a) größer ist, als die Zeitauflösung des A/D-Wandlers (4b) im zweiten Messkanalpfad (MK1b) und die Amplitudenauflösung des A/D-Wandlers (4a) im ersten Messkanalpfad (MK1a) niedriger ist, als die Amplitudenauflösung des A/D-Wandlers (4b) im zweiten Messkanalpfad (MK1b), um einen ersten digitalen Messwert (MW1a) des analogen elektrischen Signals (S1) mit hoher Zeitauflösung und einen zweiten digitalen Messwert (MW1b) des analogen elektrischen Signals ($1) mit hoher Amplitudenauflösung zu erhalten

und auszugeben.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die A/D-Wandler (4a,

4b) im ersten und zweiten Messkanalpfad (MK1a, MK1b) zeitlich synchronisiert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Triggereingang (T1) am Messgerät (1) ein Triggersignal (TS1) angelegt wird oder mit einer Triggereinheit (8) im Messgerät (1) aus dem analogen elektrischen Signal (S1) oder dem gefilterten analogen elektrischen Signal (S1r) oder aus dem digitalen Messwert (MW1a, MW1b) eines der Messkanalpfade (MK1a, MK1b) nach einem vorgegebenen Triggerkriterium ein Triggersignal (TS1) abgeleitet wird, wobei mit dem Triggersignal (TS1) die Ausgabe der ersten digitalen Messwerte (MW1a, MW1b) oder der zweiten digitalen Messwerte (MW1a, MW1b)

für eine vorgegebene Zeitdauer getriggert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit (7) des Messgeräts (1) digitale Messwerte (MW1a, MW1b) von einem der A/D-Wandler (4a, 4b) in einem der Messkanalpfade (MK1a, MK1b) erhält und die erhaltenen digitalen Messwerte

(MW1a, MW1b) bei Erhalt eines Triggersignals (TS1) am Triggereingang (T1) oder von der

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Triggereinheit (8) für die vorgegebene Zeitdauer von der Recheneinheit (7) ausgegeben wer-

den.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit (9) digitale Messwerte (MW1a, MW1b) von einem der A/D-Wandler (4a, 4b) in einem der Messkanalpfade (MK1a, MK1b) erhält und zwischenspeichert und die erhaltenen digitalen Messwerte (MW1a, MW1b) bei Erhalt eines Triggersignals (TS1) am Triggereingang (T1) oder von der Triggereinheit (8) für die vorgegebene Zeitdauer von der Speichereinheit (9)

ausgegeben werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (9) zur Ausgabe der digitalen Messwerte (MW1a, MW1b) von einer Recheneinheit (7) des Messgeräts (1), die das Triggersignal (TS1) erhält, angesteuert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Triggersignal (TS1) den A/D-Wandler (4a) im ersten Messkanalpfad (MK1a) oder den A/D-Wandler (4b) im zweiten Messkanalpfad (MK1b) für die vorgegebene Zeitdauer aktiviert.

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