DE2824060A1

DE2824060A1 - Sync. demodulator for AC instrument transducer - uses four quadrant divider to which modulated and unmodulated signals are applied

Info

Publication number: DE2824060A1
Application number: DE19782824060
Authority: DE
Inventors: Karl-Hans Dipl Ing Schwarz
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1978-06-01
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1979-12-06

Abstract

An a.c. voltage amplitude modulated by the measurement signal is applied to the demodulator first input as the signal voltage, and a non-modulated a.c. voltage collected from the supply voltage applied to the a.c. voltage tapping. is applied to its second input as the reference voltage. A d.c. voltage analogue to the measured signal appears at its outputs as a result of linear signal processing. A four-quadrant divider is used as the synchronous demodulator (10), to which the signal voltate (UA) from the first input (12) is applied as numerator, and the reference voltage (UC) from the second input (16) as denominator. The quadrant divider is connected with two multipliers (20, 26) and two amplifiers (22, 28).

Description

Synchrondemodulatorschaltung Synchronous demodulator circuit

Die Erfindung betrifft eine Synchrondemodulatorschaltung für Wechselspannungsmeßgeber, bei der an einem ersten Eingang als Signalspannung eine durch ein Meßsignal amplitudenmodulierte Wechselspannung und an einem zweiten Eingang als Referenzspannung die dem Wechselspannungsabgriff als Speisespannung zugeführte unmodulierte Wechselspannung anliegt und bei der durch lineare Signalverarbeitung an einem Ausgang eine dem Meßsignal analoge Gleichspannung erzeugt wird.The invention relates to a synchronous demodulator circuit for AC voltage measuring transducers, in the case of the signal voltage at a first input which is amplitude-modulated by a measurement signal AC voltage and, at a second input, the AC voltage tap as a reference voltage unmodulated alternating voltage supplied as supply voltage is present and at the by linear signal processing at one output of a DC voltage analogous to the measurement signal is produced.

Als Synchrondemodulatoren sind phasenempfindliche Gleichrichter bekannt (Tietzeu. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Springer Verlag. 2. Auflage Seiten 549 ff). Bei solchen phasenempfindlichen Gleichrichtern wird das zu demodulierende Wechselstromsignal über einen Satz von Stromventilen geleitet, die durch eine mit dem Wechselstromsignal gleichfrequente Referenzspannung phasensynchron mit diesem Wechselstromsignal auf- und zusteuerbar sind. Es handelt sich dabei praktisch um einen mit der Frequenz des Wechselstromsignals gesteuerten Umschalter. Die erhaltene "Gleichspannung" besteht dann aus einem Zug von Sinushalbwellen der einen oder der anderen Polarität. Diese Sinushalbwellen müssen dann durch Tiefpaßfilter zur Erzeugung eines geglätteten Gleichspannungssignals von ihrem Oberwellengehalt getrennt werden.Phase-sensitive rectifiers are known as synchronous demodulators (Tietzeu. Schenk semiconductor circuit technology Springer Verlag. 2nd edition pages 549 ff). In the case of such phase-sensitive rectifiers, this is to be demodulated AC signal passed through a set of flow control valves, which are connected through a with the AC signal with the same frequency reference voltage phase-synchronous with this AC signal are open and controllable. It is practically about a changeover switch controlled at the frequency of the AC signal. The received "DC voltage" then consists of a train of half sine waves of the one or the other others Polarity. These half-sine waves then have to pass through a low-pass filter for generating a smoothed DC voltage signal from its harmonic content be separated.

Es ist weiterhin bekannt, als Synchrondemodulator einen Vierquadrantenmultiplizierer zu verwenden, d.h. einen Multiplizierer, dessen Ausgangsspannung bei positiven und negativen Vorzeichen der Eingangsspannungen nach Größe und Vorzeichen dem Produkt der Eingangsspannungen entspricht. Ein solcher Multiplizierer liefert bei zwei gleich- oder gegenphasigen sinusförmigen Eingangsspannungen eine ebenfalls sinusförmige, gegenüber der Nullinie versetzte Ausgangsspannung von der doppelten Frequenz der Eingangsspannung, deren Scheitelpunkte auf der Nullinie liegen. Liegt an einem Eingang dieses Multiplizierers die Signalspannung und an dem anderen Eingang die Referenzspannung, so ist die Amplitude der Ausgangsspannung gleich dem Produkt der Amplitude von Signal- und Referenzspannung.It is also known to use a four-quadrant multiplier as a synchronous demodulator to use, i.e. a multiplier whose output voltage is positive and negative sign of the input voltages according to size and sign of the product corresponds to the input voltages. Such a multiplier gives with two equal- or anti-phase sinusoidal input voltages a likewise sinusoidal, output voltage offset from the zero line of twice the frequency of the Input voltage whose vertices are on the zero line. Located at an entrance this multiplier the signal voltage and at the other input the reference voltage, so the amplitude of the output voltage is equal to the product of the amplitude of signal and reference voltage.

Der Signalverlauf der Ausgangsspannung liegt ganz auf der einen oder der anderen Seite der Nullinie, je nachdem, ob Signal- und Referenzspannung gleich- oder gegenphasig sind. Auch aus dieser sinusförmigen Ausgangsspannung kann mittels eines Tiefpaßfilters eine Gleichspannung als Gleichspannungsmittelwert gewonnen werden.The signal curve of the output voltage lies entirely on one or the other side of the zero line, depending on whether the signal and reference voltage are the same or out of phase. This sinusoidal output voltage can also be used by means of a low-pass filter, a DC voltage obtained as a DC voltage mean value will.

Diese bekannten Synchrondemodulatorschaltungen sind für manche Anwendungen mit erheblichen Nachteilen behaftet: Das Tiefpaßfilter verursacht eine Phasenverschleppung. Eine solche Phasenverschleppung ist beispielsweise bei der Verwendung in Regelkreisen oft nicht tragbar. Das gilt insbesondere, wenn das erhaltene Gleichstromsignal differenziert werden muß. Die nutzbare Bandbreite wird durch das Tiefpaßfilter bestimmt.These known synchronous demodulator circuits are for some applications has considerable disadvantages: the low-pass filter causes a phase shift. Such a phase delay is, for example, when used in control loops often not wearable. This is especially true when the received direct current signal differentiates must become. The usable bandwidth is determined by the low-pass filter.

Die erzielbare Genauigkeit des Signals hängt direkt von der Genauigkeit der Trägerspannung und deren Kurvenform ab, also beispielsweise von der Genauigkeit der Spannung, die einem induktiven Weggeber oder induktiven Abgriff oder einer Wechselstrombrücke als Speisespannung zugeführt wird. Deren Amplitude geht unmittelbar in die erhaltene Signalspannung ein. Bei Verwendung eines Multiplizierers als Synchrondemodulator, bei dem die Speisespannung zugleich als Referenzspannung dient, ist die Amplitude der Ausgangsspannung sogar quadratisch von der Amplitude der Speisespannung abhängig. In die erhaltene Gleichspannung geht außerdem die Kurvenform der Speise- und Signalspannung ein, so daß Fehler durch nicht streng harmonischen Verlauf dieser Spannungen hervorgerufen werden können.The achievable accuracy of the signal depends directly on the accuracy the carrier voltage and its curve shape, for example the accuracy the voltage that an inductive displacement encoder or inductive tap or an AC bridge is supplied as a supply voltage. Their amplitude goes directly into the one obtained Signal voltage on. When using a multiplier as a synchronous demodulator, where the supply voltage also serves as a reference voltage is the amplitude the output voltage even depends on the square of the amplitude of the supply voltage. The curve shape of the supply and signal voltage also goes into the DC voltage obtained one, so that errors are caused by the not strictly harmonic course of these tensions can be.

Durch die Gleichrichtung bei einem phasenempfindlichen Gleichrichter entsteht ein breites Spektrum von Oberwellen, welches zu Funkstörungen führen kann.By rectifying a phase-sensitive rectifier a broad spectrum of harmonics is created, which can lead to radio interference.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Synchrondemodulatorschaltung zu schaffen, bei welcher die am Ausgang erhaltene Gleichspannung unabhängig von der Speisespannung des Wechselspannungsabgriffs und deren Kurvenform ist und bei welcher weiterhin die Nutzbandbreite unabhängig von der Frequenz von Signal- und Referenzspannung ist, d.h. ein Tiefpaßfilter vermieden wird.The invention is based on the object of a synchronous demodulator circuit to create in which the DC voltage obtained at the output is independent of is the supply voltage of the AC voltage tap and its curve shape and at which continues to use the bandwidth regardless of the frequency of signal and Reference voltage, i.e. a low-pass filter is avoided.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Synchrondemodulator ein linearer Vierquadrantendividierer vorgesehen ist, auf den die Signalspannung von dem ersten Eingang als Zählergröße und die Referenzspannung von dem zweiten Eingang als Nennergröße aufgeschaltet ist.According to the invention, this object is achieved in that as a synchronous demodulator a linear four-quadrant divider is provided to which the signal voltage from the first input as a counter variable and the reference voltage from the second Input is connected as a denominator.

Die Signalspannung eines Wechselspannungsmeßgebers entsteht mathematisch durch Multiplikation einer Speisewechselspannung Uc mit der Meßgröße Eu, d.h. die Signalspannung des Wechselspannungsmeßgebers ist (1) UA (t) = K . Uc (t) . EM (t), wobei K eine Proportionalitätskonstante ist. Die Meßgröße EM (t) wird bei der erfindungsgemäßen Synchrondemodulatorschaltung nach der Beziehung gewonnen. Dabei werden über den absoluten Wert und über das Zeitverhalten von Uc (t) keinerlei Voraussetzungen gemacht. Die Speisespannung Uc (t) muß nur streng proportional sowohl dem Wechselstrommeßgeber als auch als Referenzwechselspannung dem Synchrondemodulator zugeführt werden. Ein Synchrondemodulator nach der Erfindung ist wegen der Verhältnisbildung unabhängig von Frequenz und Amplitude der Speisewechselspannung. Diese Größen können daher an die Erfordernisse des Meßgebers und des Synchrondemodulators optimal angepaßt werden.The signal voltage of an AC voltage sensor is mathematically generated by multiplying an AC supply voltage Uc with the measured variable Eu, ie the signal voltage of the AC voltage sensor is (1) UA (t) = K. Uc (t). EM (t), where K is a constant of proportionality. In the synchronous demodulator circuit according to the invention, the measured variable EM (t) is determined according to the relationship won. No prerequisites are made for the absolute value or the time behavior of Uc (t). The supply voltage Uc (t) only has to be fed proportionally to both the AC current sensor and, as a reference AC voltage, to the synchronous demodulator. A synchronous demodulator according to the invention is independent of the frequency and amplitude of the AC supply voltage because of the formation of the ratio. These sizes can therefore be optimally adapted to the requirements of the encoder and the synchronous demodulator.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird ein Vierquadrantendividier geschaffen, der für die vorliegenden Zwecke geeignet und aus handelsüblich erhältlichen Bauteilen aufgebaut ist. Ein solcher Vierquadrantendividierer ist Gegenstand der Unteransprüche.A four-quadrant divider is used in a further embodiment of the invention created, which is suitable for the present purposes and from commercially available Components is built. Such a four-quadrant divider is the subject of Subclaims.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Synchrondemodulatorschaltung.The invention is referred to below using an exemplary embodiment explained in more detail on the associated drawings: Fig. 1 shows schematically the structure a synchronous demodulator circuit according to the invention.

Fig. 2 zeigt den Zeitverlauf des Ausgangssignals einer Synchrondemodulatorschaltung nach Figur 1. Fig. 2 shows the timing of the output signal of a synchronous demodulator circuit according to Figure 1.

Fig. 3 ist ein Wirkungsschaltbild eines Vierquadrantendividierers, der vorzugsweise als Synchrondemodulator bei der Erfindung verwendet wird. Fig. 3 is a circuit diagram of a four quadrant divider, which is preferably used as a synchronous demodulator in the invention.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer Synchrondemodulatorschaltung nach der Erfindung. Fig. 4 shows a circuit diagram of a synchronous demodulator circuit according to the invention.

Wie in Figur 1 dargestellt ist, wird einem als Vierquadrantendividierer ausgebildeten Synchrondemodulator 10 an einem ersten Eingang 12 eine Signalspannung UA (t) als Ausgangsspannung eines von einer Speisespannung Uc gespeisten Wechsel strommeßgebers 14 als Zählergröße zugeführt. Diese Ausgangsspannung UA (t) ist gemäß Gleichung (1) porportional der Speisespannung Uc und einer Meßgröße EM, die hier als konstant angenommen ist.As shown in Figure 1, one is called a four quadrant divider formed synchronous demodulator 10 at a first input 12 a signal voltage UA (t) as the output voltage of an alternation fed by a supply voltage Uc Stromeßgebers 14 supplied as a counter size. This output voltage UA (t) is according to Equation (1) proportional to the supply voltage Uc and a measured variable EM, which here is assumed to be constant.

Die Speisespannung # Uc liegt gleichzeitig als Nennergröße an einem zweiten Eingang 16 des Synchrondemodulators 10. Am Ausgang 18 des Synchrondemodulators 10 erscheint dann eine Spannung, die proportional der Meßgröße EM ist. Diese Spannung ist in ihrem Zeitverlauf für konstante Meßgröße in Figur 2 dargestellt.The supply voltage # Uc is at the same time as a denominator second input 16 of the synchronous demodulator 10. At the output 18 of the synchronous demodulator 10 then appears a voltage which is proportional to the measured variable EM. This tension is shown in its time course for a constant measured variable in FIG.

In Figur 3 ist der Aufbau des als Vierquadrantendividierer ausgebildeten Synchrondemodulators 10 dargestellt.FIG. 3 shows the structure of the four-quadrant divider Synchronous demodulator 10 shown.

Der Vierquadrantendividierer weist einen ersten Multiplizierer 20, einen ersten Verstärker 22, ein Summierglied 24, einen zweiten Multiplizierer 26 und einen zweiten Verstärker 28 mit hohem Verstärkungsgrad auf. Der erste Eingang des Synchrondemodulators 10 ist mit einem ersten Eingang 30 des Summiergliedes 24 verbunden. Der zweite Eingang 16 des Synchrondemodulators 10 ist mit je einem ersten Eingang 32,34 jedes Multiplizierers 20 bzw. 26 verbunden. Der Ausgang 18 des Synchrondemodulators 10 liegt am Ausgang 36 des zweiten Verstärkers 28. Der Ausgang 38 des ersten Multiplizierers 20 liegt am Eingang des ersten Verstärkers 22. Der Ausgang des ersten Verstärkers 22 ist mit einem zweiten Eingang 40 des Summiergliedes 24 verbunden. Die Summenspannung des Summiergliedes 24 liegt an dem zweiten Eingang 42 des zweiten Multiplizierers 26 an. Der Ausgang 44 des zweiten Multiplizierers 26 ist mit dem Eingang des zeiten Verstärkers 28 verbunden.The four-quadrant divider has a first multiplier 20, a first amplifier 22, a summing element 24, a second multiplier 26 and a second high gain amplifier 28. The first entrance of the synchronous demodulator 10 is connected to a first input 30 of the summing element 24 tied together. The second input 16 of the synchronous demodulator 10 is each with a first Input 32,34 of each multiplier 20 and 26 respectively. The output 18 of the synchronous demodulator 10 is at the output 36 of the second Amplifier 28. The output 38 of the first multiplier 20 is at the input of the first amplifier 22. The output of the first amplifier 22 is connected to a second input 40 of the summing element 24 tied together. The total voltage of the summing element 24 is applied to the second input 42 of the second multiplier 26. The output 44 of the second multiplier 26 is connected to the input of the second amplifier 28.

Schließlich ist der Ausgang 36 des zweiten Verstärkers 28 auf den zweiten Eingang 46 des ersten Multiplizierers 20 geschaltet.Finally, the output 36 of the second amplifier 28 is on the second input 46 of the first multiplier 20 switched.

Um die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung zu erläutern, werden folgende Bezeichnungen benutzt: U1 Spannung an Eingang 12 U2 = Spannung an Eingang 16 U3 = Spannung an Ausgang 18 U4 Spannung am Ausgang des Verstärkers 22 V1 = Verstärkungsgrad des Verstärkers 22 V2 = Verstärkungsgrad des Verstärkers 28 Es gelten dann folgende Beziehungen: (3) U3 = (U4 U1) ~ U2 . (-V2) (4) U4 = -U3 . U2 (+V1) oder nach Einsetzen von U4 aus Gleichung (4) in Gleichung (3): U3 = (+ U3.U2.V1) ~ V2 U2 + U1.U2.(+V2) (5) 2 = U3.U2 V1 V2 + U1 U2 V2 Daraus folgt: Für große U2 V2 kann der erste Summand vernachlässigt werden, so daß sich ergibt: Die beschriebene Schaltung liefert somit eine Ausgangsspannung am Ausgang 18, die proportional zu dem Verhältnis der Spannungen an den Eingängen 12 und 16 ist. Liegt somit wie in Figur 1 als Spannung U1 am Eingang 12 die Signalspannung UA des Meßgebers 14 und als Spannung U2 am Eingang 16 die Speisespannung Uc, dann ist die Ausgangsspannung U3 am Ausgang 18 entsprechend Gleichung (2) porportional der Meßgröße EM, wobei der Verstärkungsgrad V1 des Verstärkers 22 in geeigneter Weise an den Proportionalitätsfaktor K angepaßt werden kann. Es läßt sich zeigen und konnte auch experimentell bestätigt werden, daß die Quotientenbildung in allen vier Quadranten, also bei allen möglichen Vorzeichenkombinationen der Eingangsspannungen, funktioniert und tatsächlich eine Synchrondemodulation in der beschriebenen Weise stattfindet.The following designations are used to explain the operation of this circuit arrangement: U1 voltage at input 12 U2 = voltage at input 16 U3 = voltage at output 18 U4 voltage at output of amplifier 22 V1 = gain of amplifier 22 V2 = gain of amplifier 28 Es The following relationships then apply: (3) U3 = (U4 U1) ~ U2. (-V2) (4) U4 = -U3. U2 (+ V1) or after inserting U4 from equation (4) into equation (3): U3 = (+ U3.U2.V1) ~ V2 U2 + U1.U2. (+ V2) (5) 2 = U3. U2 V1 V2 + U1 U2 V2 It follows from this: For large U2 V2 the first summand can be neglected, so that we get: The circuit described thus provides an output voltage at output 18 which is proportional to the ratio of the voltages at inputs 12 and 16. If the voltage U1 at input 12 is the signal voltage UA of the transducer 14 and the voltage U2 at input 16 is the supply voltage Uc, as in FIG V1 of the amplifier 22 can be adapted to the proportionality factor K in a suitable manner. It can be shown and could also be confirmed experimentally that the quotient formation works in all four quadrants, i.e. with all possible sign combinations of the input voltages, and that synchronous demodulation actually takes place in the manner described.

Figur 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Synchrondemodulatorschaltung. Der Meßgeber 14 ist ein induktiver Abgriff mit einer Spule 46 mit einer Mittenanzapfung 48, welche die Ausgangsklemme des induktiven Abgriffs darstellt. Die Spule 46 erhält eine Speisespannung Uc über die Sekundärwicklung 50 eines Transformators 52, dessen Primärwicklung 54 an einer geeigneten Versorgungswechselspannung liegt. Die Sekundärwicklung 50 weist eine geerdete Mittenanzapfung 56 auf. Die an der Mittenanzapfung 48 abgegriffene Wechselspannung ist durch einen Induktionskern 58 veränderbar, der nach Maßgabe einer Meßgröße EM mechanisch bewegbar ist. Das ist der Aufbau eines üblichen induktiven Abgriffs.Figure 4 shows a preferred embodiment of a synchronous demodulator circuit. The encoder 14 is an inductive tap with a coil 46 with a center tap 48, which represents the output terminal of the inductive tap. The coil 46 receives a supply voltage Uc across the secondary winding 50 of a transformer 52, whose Primary winding 54 is connected to a suitable AC supply voltage. The secondary winding 50 has a grounded center tap 56. The one tapped at the center tap 48 AC voltage can be changed by an induction core 58, which according to a measured variable EM is mechanically movable. That is the structure of a usual inductive Tap.

In Figur 4 sind mit 60 und 62 Multiplizierer bezeichnet, die als integrierte Bausteine ausgebildet sind und zugleich die Funktionen der Verstärker 22 bzw. 28 und des Summiergliedes 24 von Figur 3 mit enthalten.In FIG. 4, with 60 and 62 multipliers are designated as integrated Modules are formed and at the same time the functions of the amplifier 22 and 28, respectively and the summing member 24 of Figure 3 with included.

Die Speisespannung Uc liegt über die Leitungen 64,66 an den Eingängen x1x2 der Multiplizierer 60 und 62 an, die den Eingängen 32 bzw. 34 entsprechen. Die beiden Eingänge y1,y2 des Multiplizierers 62 entsprechen den Eingängen 40 bzw. 30 des Summiergliedes 24 von Figur 3. Dabei ist der Eingang 30 mit der Mittenanzapfung 48 der Spule 46 verbunden. Der Ausgang des Multiplizierers 62, der dem Ausgang 36 des Verstärkers 28 entspricht, liegt an einem Spannungsteiler in Form eines Potentiometers 68 an. Die daran gegen Erde abgegriffene Teilspannung ist auf den Eingang y2 des Multiplizierers 60 geschaltet, die zusammen mit dem geerdeten Eingang yl dem Eingang 46 von Figur 3 entspricht.The supply voltage Uc is applied to the inputs via lines 64, 66 x1x2 of multipliers 60 and 62, which correspond to inputs 32 and 34, respectively. The two inputs y1, y2 of the multiplier 62 correspond to the inputs 40 and 30 of the summing element 24 of Figure 3. The input 30 is with the center tap 48 of the coil 46 is connected. The output of the multiplier 62, which is the output 36 of the amplifier 28 corresponds to a voltage divider in the form of a potentiometer 68 at. The partial voltage tapped against earth is applied to input y2 of the Multiplier 60 connected, which together with the grounded input yl the input 46 of Figure 3 corresponds.

Die Multiplizierer 60,62 sind handelsüblich erhältliche Bauteile, beispielsweise Multiplizierer von Burr Brown Typ BB4213.The multipliers 60,62 are commercially available components, e.g. Burr Brown multipliers type BB4213.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Patent application 1. Synchronous demodulator circuit for AC voltage measuring transducer, in the case of the signal voltage at a first input which is amplitude-modulated by a measurement signal AC voltage and, at a second input, the AC voltage tap as a reference voltage unmodulated alternating voltage supplied as supply voltage is present and at the by linear signal processing at one output of a DC voltage analogous to the measurement signal is generated, characterized in that the synchronous demodulator (10) is a linear Four quadrant divider is provided to which the signal voltage (UA) of the first input (12) as a counter variable and the reference voltage (Uc) from the second Input (16) is connected as a denominator.

2. Synchronous demodulator circuit according to claim 1, characterized in that that the four quadrant divider has a first multiplier (20) a first amplifier (22), a summing element (24), a second multiplier (26) and a second Amplifier (28) with a high gain, that the first input (12) is connected to a first input (30) of the summing element (26) that the second Input (16) connected to a first input (32,34) of each multiplier (20,26) is, that the output (18) of the synchronous demodulator (10) at the output (36) of the second amplifier (28) is that the output (38) of the first multiplier (20) at the input of the first amplifier (22) is that the output of the first amplifier (22) is connected to a second input (40) of the summing element (24) that the Total voltage of the summing element (24) at the second input (42) of the second multiplier (26) is present that the output (44) of the second multiplier (26) with the input of the second amplifier (28) is connected and that the output (36) of the second Amplifier (28) connected to the second input (46) of the first multiplier (20) is.

3. Synchronous demodulator circuit according to claim 2, characterized in that that the output of the second amplifier (28) via an adjustable voltage divider (68) is connected to the second input (46) of the first multiplier (20).