DE2739529A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum selbsteichen eines voltmeters - Google Patents

Description

- Jf-

Int. Az.: Case 1095 22. August 1977

Hewlett-Packard Company

VERFAHREN UND SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM SELBSTEICHEN EINES VOLTMETERS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Schaltungsanordnung zum Selbsteichen eines Voltmeters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das Eichen von Voltmetern erfolgt üblicherweise, indem die Ausgangssignale gemessen werden, welche beim Anlegen von zwei bekannten Referenzspannungen und beim Einstellen der Übertragungsfunktion des Voltmeters erhalten werden. Typischerweise ist eine der Referenzspannungen geerdet, und die andere Referenzspannung wird an der oberen Grenze des Meßbereichs gewählt. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß Referenzspannungen für jeden vollen Meßbereich erforderlich sind, daß viele Eichjustierungen nötig sind und Drifterscheinungen eine periodische Eichung verlangen, um einen hohen Grad der Meßgenauigkeit zu erhalten. Da das Erzeugen von Referenzspannungen teuer ist, insbesondere wenn es sich um hohe Referenzspannungen handelt, ist es wünschenswert ein Voltmeter mit mehreren Meßbereichen zu eichen, ohne daß für jeden Bereich eine Referenzspannung erforderlich ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Voltmeter mit mehreren Meßbereichen zu schaffen, welches geeicht werden kann, ohne daß für jeden Spannungsbereich eine getrennte Referenzspannung erforderlich ist. Vorzugsweise soll ein hoher Grad von Genauigkeit mit relativ wenigen Bauteilen hoher Präzision und wenigen Einstellungen erreicht werden.

809810/0919

-Ji-

Hewlett-Packard Company

Int. Az.: Case 1095 2739529

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1.

Vorzugsweise werden unabhängig voneinander die Übertragungsfunktionen von Schaltungselementen des Voltmeters gemessen und logisch die Öbertragungsfunktionen der Kombinationen der Schaltungselemente abgeleitet, die den Schaltungskonfigurationen des Voltmeters für die entsprechenden Spannungsbereiche entsprechen. Diese Obertragungsfunktion wird dann durch Verknüpfungsglieder dem Ausgangssignal hinzugefügt, das beim Anlegen eines unbekannten Signales erhalten wird, um ein geeichtes Ausgangssignal zu erhalten.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert; es stellen dar: Fig. 1 schematisch ein Schaltungsdiagramm einer Eichschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 schematisch ein Schaltungsdiagramm einer herkömmlichen

Eichschaltung für ein lineares Voltmeter, Fig. 3 schematisch einen Gleichstrom-Vorverstärker zur Messung der Eingangs-Offsetfehler für die ersten drei Spannungsbereiche,

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm eines Abschwächers zur Messung von Eingangs-Offsetfehlern für die vierten und fünften Spannungsbereiche,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zur Messung des Verstärkungsfehlers für den dritten Meßbereich,

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zum Messen des Verstärkungsfehlers für den zweiten Meßbereich, Fig. 7 eine Schaltungsanordnung zum Messen des zweiten

Offsetfehlers für den zweiten Meßbereich, Fig. 8 eine Schaltungsanorndung zum Messen des Verstärkungsfehlers für den vierten Meßbereich,

Fig. 9 schematisch das Konzept einer selbsteichenden Schaltung.

809810/0919

Hewlett-Packard Company Int. Az.: Case 1095

Gemäß Fig. 1 ist ein Voltmeter mit 5 Spannungsbereichen vorgesehen. Ein erster Spannungsbereich von 0,1 V ergibt sich, wenn ein Relaiskontakt Kl und ein FET-Schalter QIl geschlossen werden und der Verstärkungsfaktor 100 an einem Gleichspannungs-Vorverstärker 10 eingestellt wird. Ein zweiter Spannungsbereich von 1 V wird eingestellt, indem am Vorverstärker 10 ein Verstärkungsfaktor 10 eingestellt wird. Ein dritter Spannungsbereich von 10 V wird realisiert, indem ein Verstärkungsfaktor 1 am Vorverstärker 10 einge stellt wird. Ein vierter Spannungsbereich von 100 V wird eingestellt, indem ein Relaiskontakt K2 geschlossen und ein Verstärkungsfaktor 0,1 an einem mittels eines Operationsverstärkers ausgebildeten Abschwächer 20 gewählt wird, indem ein FET-Schalter Q16 geschlossen und ein Verstärkungs faktor 1 am Vorverstärker 10 eingestellt wird. Ein fünf ter Spannungsbereich von 1000 V wird eingestellt, indem ein Verstärkungsfaktor von 0,01 am Abschwächer 20 gewählt und ein FET-Schalter Q18 geschlossen wird. Einem A/D Umsetzer 30 wird dabei jeweils eine Spannung von 10 V mit vollem Skalenausschlag zugeführt.

Eine Referenzspannung V_REF kann entweder dem Vorverstärker durch Schließen eines FET-Schalters Q17 oder dem Abschwächer 20 durch Schließen eines Relais-Kontaktes K3 und eines FET-Schalters Q9 zugeführt werden. Massepotential kann in ähnli- eher Weise dem Vorverstärker 10 zugeführt werden, indem der FET-Schalter Q13 geschlossen wird, oder es kann dem Abschwächer 20 zugeführt werden, indem der Relais-Kontakt K3 und ein FET-Schalter QlO geschlossen wird, und für die kombinierte Eichung des Vorverstärkers 10 in Reihe mit dee Abschwächer 20 kann in noch zu erläuternder Weise ebenfalls Massepotential angelegt werden.

Aus Fig. 2 geht eine herkömmliche Technik zum Eichen eines Linear-Voltmeters hervor. Die Anzeige des Voltmeters V

809810/0919

-Z-

Hewlett-Packard Company

Int. Az.: Case 1095 O 7 Q Q R O Q

folgt der Gleichung

^Xi ^{= (V}i ^{+ V}o^{)G (1)}

wobei V der Offsetfehler des Voltmeters und G der Verstärkungsfaktor des Voltmeters ist. Falls ein Schalter S2 geschlossen ist, so daß V. = 0 gilt, ergibt sich für die Anzeige des Voltmeters V:

X₀ = V₀ G (2)

Falls ein Schalter Sl geschlossen ist, so daß V. = wird, ergibt sich für die Anzeige des Voltmeters V:

^XREF ■ C^VREF ⁺ V ^G

Aus den Gleichungen 1, 2 und 3 folgt für die Übertragungsfunktion des Voltmeters bei geschlossenem Schalter S3:

X - X

V = V ^IN °»ⁿ (41

^VIN ^VREF „ „ ^l4J

^AREF " ^Ao,D

wobei X der Offsetfehler des Voltmeters bei Massepotential am Eingang und X _β der Offsetfehler des Voltmeters in einer Anordnung vor dem Anlegen der Referenzspannung V_REp, in diesem ^{Fal1 X}o ■ ^Xo,n * ^Xo,D ^ist·

Durch die Verwendung eines Voltmeters mit in hohem Maß linearen Elementen und den Einsatz einer Verknüpfungsschaltung zum Berechnen der Transfer-Funktionen der Elemente, wenn diese für die verschiedenen Spannungsbereiche aus den Übertragungsfunktionen von leicht realisierbaren Eichkonfigurationen zusammengefügt sind, werden vorzugsweise fünf Spannungsbereiche mit nur einer einzigen Referenzspannung und einem einzigen Präzisions-Widerstandsteiler geeicht.

Aus Fig. 3 geht ein Gleichstrom-Vorverstärker 10 hervor, wobei die Messungen des Eingangs-Offsetfehlers (X ) für

809810/0919

Hewlett-Packard Company

die ersten drei Spannungsbereiche ausgeführt werden, wenn der Eingang des Vorverstärkers 10 über einen Widerstand von 100 kn mittels eines FET-Schalters Q13 ausgegeerdet ist. Für jeden Bereich wird eine getrennte Messung ausgeführt, wobei die entsprechenden Konfigurationen der FET-Schalter Q31, Q32, Q23 und Q29 hergestellt

werden. Diese Messungen werden nachfolgend als X ' , ι in »

ο η ^und ο η ^bezeichnet·

Gemäß dem Schaltungsdiagramm des Abschwächers 20 in Fig. 4 werden die Eingangsoffset-Fehler für die vierten und fünften Spannungsbereiche (100 V bzw. 1 000 V) erzeugt, wenn der Eingang des Abschwächers 20 über einen Widerstand von 100 kn durch den Relaiskontakt K3 und den FET-Schalter QlO geerdet wird. Es erfolgt für jeden Meßbereich eine getrennte Messung. Der vierte Meßbereich wird ausgewählt durch Schließen von FET-Schaltern Q22 und Q18. Der fünfte Meßbereich wird ausgewählt durch Schließen von FET-Schaltern, Q21 und Q16. Diese Messungen werden bezeichnet als

X¹⁰⁰ bzw X^{1 00}°

^Λ ο,η ^DZW· ^Λ ο,η*

Unter Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 wird der Verstärkungsfehler für den dritten Meßbereich von 10 V gemessen, indem die interne Präzisions-Referenzspannung Vnpp (+10V) dem Eingang des Gleichspannungs-Vorverstärkers 10 über den FET-Schalter QI7 zugeführt wird. Diese Messung wird bezeichnet als X dcc· Di^e Eichung des dritten Spannungsbereichs von 10 V wird dann bestimmt durch die Gleichung:

X - X^t0

v^t0 - V IN ο,η ^V IN ^V-

. ^A REF ^λ ο,η

da für diese Gleichung X¹°_o = X¹⁰ _{Q D} ist.

809810/0919

Hewlett-Packard Company Int. Az.: Case 1095

- r-

Mittels der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 wird die Messung des Verstärkungsfehlers für den zweiten Meßbereich von 1 V ausgeführt, indem die interne Präzisions-Referenzspannung V_Rpp (+10 V) einem Präzisionsteiler von 10:1 (900k/100k) zugeführt wird, wozu die FET-Schalter Q25 und Q20 geschlossen werden. Dem Vorverstärker 10 wird durch den FET-Schalter Q16 die Ausgangsspannung IV zugeführt. Der Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers 10 wird auf XlO eingestellt, um einen vollen Skalenausschlag zu ergeben. Diese Messung wird als X _RFp bezeichnet. Gemäß Fig. 7 wird eine zweite Messung des Offsetfehlers im Bereich von IV ausgeführt, wobei der Eingang des Vorverstärkers 10 über den Präzisionsteiler 10:1 durch den Feldeffektschalter Q16 geerdet ist. Diese Messung umfaßt Offsetfehler, welche während der Messung des Verstärkungsfehlers vorliegen können und nachfolgend als X _QD bezeichnet werden. Die Eichung des zweiten Meßbereichs von IV wird daher bestimmt durch die Gleichung:

X - X ^V IN * ^VREF^/1° — ⁽⁶⁾

Ti - Tt

REF ^Λ ο,D

Beim ersten Spannungsbereich von 0,1V wird kein getrennter Verstärkungsfehler verursacht, da sich infolge der Meßbereiche von IV und 0,1V eine genaue Verstärkung von 10 entsprechend dem Teiler 10:1 ergibt. Für die Eichung des ersten Meßbereichs folgt dabei:

X - X⁰»¹ V⁰»¹ = ν /1OO ?^N °»ⁿ

= ν /1OO ?

IN ^VREF^/IW^1 „1

^Ä REF ^A o,D

Mit Bezug auf Fig. 8 wird für die Messung des Verstärkungsfehlers des Spannungsbereichs von lOOV die interne Referenzspannung von 10V dem Eingang des mittels eines Operationsverstärkers aufgebauten Abschwächers 20 durch den FET-

809810/0919

■β -

Hewlett-Packard Company

Int. Az.: Case 1095 2739529

Schalter Q9 und den Relais-Kontakt K3 zugeführt. Die Verstärkung des Abschwächers wird durch den FET-Schalter Q22 auf 0,1 eingestellt. Das Ausgangssignal des Abschwächers 20 wird dem Eingang des Vorverstärkers 20 durch den FET-Schalter Q18 zugeführt. Der Vorverstärker 10 wird auf einen Verstärkungsfaktor von 10 eingestellt, um einen Skalenvollausschlag von 10V zu ergeben. Diese Messung wird nachfolgend als X _Rpp bezeichnet. Eine zweite Offsetmessung wird im Bereich von lOOV ausgeführt, um Offsetspannungen zu erfassen, welche während der Messung der Referenz-Spannung auftreten

100 können. Diese Messung ist identisch zu derjenigen von X ,

O j Il

welche unter Bezug auf Fig. 4 erläutert wurde, mit der Ausnahme, daß der Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers 10 auch

100 den Wert 10 hat. Diese Messung wird nachfolgend mit X ~ bezeichnet. Da die Messung bei vollem Skalenausschlag mit einem Verstärkungsfaktor 10 des Vorverstärkers 10 erfolgt und im Meßbereich von lOOV für den Vorverstärker 10 der Verstärkungsfaktor 1 verwendet wird, wird die Übertragungsfunktion berichtigt, indem durch den Verstärkungsfaktor 10 geteilt und mit dem Verstärkungsfaktor 1 multipliziert wird. Somit bestimmt sich die Eichung für den vierten Meßbereich von lOOV gemäß den Gleichungen

X - X¹⁰⁰

100 = 10V ^IN 9_»B

^V IN ^REF

IN ^REF _Y100 _Y100

^Λ REF"^A o,D

X¹ - X^{1 A} REF ^Λ ο,D

_Y10 _Y10 ^Λ REF " ^Λ ο,η

Eine getrennte Messung des Verstärkungsfehlers ist für den Spannungsbereich von 1 000V nicht erforderlich, da der einzige Unterschied zwischen den Verstärkungsfehlern der Meßbereiche lOOV und 1 000 V in einer genauen Abschwächung

809810/0919

AO

Hewlett-Packard Company Int. Az.: Case 1095

von 10 entsprechend dem Teiler 10:1 liegt. Für die Eichung des Meßbereichs von 1 OOOV gilt daher:

_Y1000

^1UUV

IN ~ ^Λ ο,η

^V IN ^1UUVREF _1m (9)

_γ ^ιυυ _Y100 ^Λ REF " ^A o,D

X¹ - X^{1 Λ} REF ^Λ ο,Ρ

_Y10 _Υ1Ο ^Λ REF " ^Λ ο,η

Aus Fig. 9 geht ein Selbsteichsystem hervor. Die Eingangsspannung und die Referenzspannungen werden wahlweise dem Eingang einer ausgewählten Konfiguration von Schaltungselementen SC zugeführt. Ein auf das Ausgangssignal der ausgewählten Konfiguration SC ansprechender Detektor 10 gibt ausgewählte Ausgangssignale an einen Speicher M ab. Diese Ausgangssignale definieren die Übertragungsfunktion der ausgewählten Konfiguration und können mit anderen Übertragungsfunktionen verknüpft werden, um die Übertragungsfunktion der ausgewählten Konfigurationen zu bestimmen, die nicht direkt gemessen werden. Ein Prozessor T verknüpft dann die geeignete Übertragungsfunktion mit dem gemessenen Ausgangssignal, wenn eine unbekannte Eingangsspannung zugeführt wird, und gibt ein Ausgangssignal ab, welches normiert ist bezüglich der Übertragungsfunktion der Konfiguration der Schaltungselemente, die für die Messung verwendet wurden.

Es wird somit eine Schaltungsanordnung zum Selbsteichen vorgesehen, welche nur zwei Präzisionselemente, nämlich eine Quelle für eine Referenzspannung von 10V und einen Präzisions-Widerstandsteiler umfaßt. Indem der Prozessor periodisch Korrekturfaktoren während der Messungen abtastet und die korrigierenden Übertragungsfunktionen dem Ausgangs-

809810/0919

Hewlett-Packard Company O TOO co ο

τ ^ « /ι -1 nn. f fc / 0 vj 3 ^ ί3

Int. Az.: Case 1095

signal zuführt, das von einer Messung einer unbekannten Spannung erhalten wurde, wird eine extrem genaue Spannungsmessung erreicht, welche eine permanente Korrektur von Driftfehlern der Bauteile bewirkt und nur eine minimale Mitwirkung einer Bedienungsperson bei der Eichung erfordert.

809810/0919

Le

erseite

Claims (2)

Hewlett-Packard Company Int. Az.: Case 1095 22. Aug. 1977 Pat en tanspriiche 2739529

1. Verfahren zum Selbsteichen eines Voltmeters mit mehreren im wesentlichen linearen Schaltungselementen, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste bekannte Spannung dem Eingang eines ersten Schaltungselementes zugeführt und dessen Ausgangssignal gespeichert wird,

eine zweite bekannte Spannung an den Eingang des ersten Schaltungselementes angelegt und dessen Ausgangssignal gespeichert wird,

die Eingänge und Ausgänge der ersten und zweiten Schaltungselemente in einer ausgewählten Schaltungskonfiguration verknüpft werden,

die erste bekannte Spannung dem Eingang dieser Schaltungskonfiguration zugeführt und deren Ausgangssignal ge- speichert wird,

eine zweite bekannte Spannung an den Eingang dieser Schaltungskonfiguration angelegt und deren Ausgangssignal gespeichert wird, dem Eingang des zweiten Schaltungselementes eine unbekann te Spannung zugeführt und

ein für diese unbekannte Spannung signifikantes Signal abgeleitet wird aus dem Ausgangssignal des zweiten Schaltungselementes beim Anlegen der unbekannten Spannung sowie aus den gespeicherten Ausgangssignalen durch Nor mierung bezüglich der linearen Funktion des zweiten Schaltungselementes, welche abgeleitet ist aus den gespeicherten Ausgangssignalen und den Werten der ersten und zweiten Spannungen.

2. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch erste und zweite Schaltungselemente mit im wesentlichen linearen

809810/0919

OR₁GlNAU INSPECTED

Hewlett-Packard Company ο
Int. Az.: Case 1095

Übertragungs funktionen,
eine Quelle für erste und zweite Referenzsignale, eine Einrichtung zur wahlweisen Weiterleitung der ersten und zweiten Referenzsignale an den Eingang des ersten Schaltungselementes,

einen mit dem Ausgang des ersten oder des zweiten Schaltungselementes wahlweise verbundenen Detektor zur Erzeugung eines Signales, welches repäsentativ für das dem Schaltungselement zugeführte Signal ist, eine Einrichtung zur wahlweisen Verbindung der Eingänge und der Ausgänge der ersten und zweiten Schaltungs elemente zu einer ausgewählten Konfiguration mit einem Eingang und einem Ausgang,
einen mit dem Detektor verbundenen Speicher, eine Einrichtung zum Verbinden des Eingangssignales mit dem Eingang des zweiten Schaltungselementes und einen Prozessor, welcher einen mit dem Ausgang des Speichers verbundenen Eingang aufweist und ein Ausgangssignal erzeugt, welches für das Eingangssignal repräsentativ ist und normiert ist zur Korrektur der Offset- und Verstärkungsfehler in dem zweiten Schaltungselement, die durch den ausgewählten Inhalt des Speichers bestimmt sind.

809810/0919