DE3611682A1 - Messanordnung mit einem aktiven filter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Konventionelle, analoge Vielfachmeßgeräte mit einem Drehspulmeßwerk besitzen im allgemeinen Gleich- und Wechselspannungsmeßbereiche. Dabei wird vorausgesetzt, daß in den Gleichspannungsbereichen reine Gleichspannungen und in den Wechselspannungsbereichen reine Wechselspannungen gemessen werden. Sollen keine unzulässigen Meßfehler entstehen, so wird weiterhin von der Wechselspannung gefordert, daß sie eine reine Sinusform besitzt. Denn das Drehspulmeßwerk mißt den Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung, während die Meßskala auf Wechselspannungseffektivwerte geeicht ist. Mit einer Änderung der Kurvenform ändert sich das Verhältnis von Effektivwert zu Mittelwert der Wechselspannung und damit die Meßanzeige. Bei der Messung von Gleichspannungen mit einem überlagerten Wechselspannungsanteil treten bei diesen Geräten somit grundsätzlich Meßfehler auf.

Bei komfortableren elektronischen Meßgeräten, die sich nicht auf dem Prinzip der Mittelwertbildung unter Einbeziehung eines Formfaktors beschränken, wird der Meßanzeige ein Effektivwertwandler vorgeschaltet, der unabhängig von der jeweiligen Kurvenform immer den richtigen Effektivwert der jeweiligen Meßgröße zur Anzeige bringt. Doch auch diese Meßmethode ist dann nicht zufriedenstellend, wenn eine Eingangsspannung einen Wechselspannungs- und einen Gleichspannungsanteil beinhaltet und die Aufgabe besteht jeden der beiden Anteile separat zu messen. Es ist zwar im Prinzip denkbar mit zwei getrennten Meßkanälen zu arbeiten und den einen Meßkanal zur Messung von Gleichspannungen mit einem Tiefpaß und den anderen Meßkanal zur Messung von Wechselspannungen mit einem Hochpaß zu versehen. Dies wäre jedoch ein erheblicher Aufwand und würde letztlich auch noch einen dritten Kanal bedingen, der ein Messen des Effektivwertes der aus Gleich- und Wechselspannungsanteil bestehenden Gesamtspannung ermöglichen würde.

Aus G. Busse, AD- und DA-Umsetzer, Intermeß- und Datentechnik, Stufenumsetzer; Verlag Erwin Geyer, Bad Wörishofen, 1971 ist ein aktives Filter mit Tiefpaßverhalten bekannt, dessen Verstärker mit seinem nicht invertierenden Eingang auf einem für den Ein- und Ausgang des Filters gemeinsamen Potential liegt. Ein erster Widerstand verbindet den Filtereingang mit einem ersten Kondensator, dessen anderes Ende am invertierenden Verstärkereingang angeschlossen ist. Der invertierende Verstärkereingang ist über einen zweiten Widerstand mit dem Verstärkerausgang verbunden und ein zweiter Kondensator überbrückt den zweiten Widerstand und den ersten Kondensator. Dort wo der erste Kondensator mit dem zweiten Kondensator zusammentrifft liegt der Ausgang des Tiefpasses.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die es erlaubt den Wechselspannungsanteil, den Gleichspannungsanteil und den Gesamtwert eines Eingangssignals zu messen, das einen Gleich- und einen Wechselanteil beinhaltet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Erfindungsgemäß gelingt es einen bekannten aktiven Tiefpaß so zu modifizieren, daß dieser als Trennfilter wirkt. Dadurch wird es möglich, bei einem Mischsignal den Gleichspannungsanteil und den Wechselspannungsanteil zu separieren und nach Bedarf auch wieder zu vereinigen. Hiermit sind die Voraussetzungen für eine getrennte Messung aller drei Signalarten geschaffen.

Während der Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz von ca. 0,5 bis 2 Hertz und einer Dämpfung von ca. 40 db pro Dekade dem dynamischen Verhalten eines Drehspulmeßwerks sehr nahe kommt, zeigt der Wechselspannungsmeßpfad noch Schwächen. Diese beruhen auf dem Umstand, daß die Übertragungscharakteristik vom Ausgang des Verstärkers zum Eingang der Schaltung bis zur ca. zehnfachen Grenzfrequenz des Tiefpasses Bandpaßverhalten zeigt. Obwohl sich die Schaltung oberhalb dieser Frequenz wie ein AC gekoppelter Verstärker verhält, ist im unteren Bereich das Bandpaßverhalten störend. Eine zweckmäßige Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sieht deshalb vor, daß in den zweiten Meßpfad eine Korrekturschaltung eingefügt ist, die in Verbindung mit dem aktiven Filter insgesamt das Frequenzverhalten eines Hochpasses bewirkt. Das gewünschte Verhalten wird erreicht, wenn die Korrekturschaltung einen Hochpaß enthält, dessen Grundfrequenz kleiner als die Resonanzfrequenz des im zweiten Meßpfad als Bandpaß wirkenden aktiven Filters ist.

Arbeitet die Meßschaltung zur Meßbereichsumschaltung mit einem Spannungsteiler am Eingang, so ändert sich der Eingangswiderstand des Filters in Abhängigkeit vom Teilerabgriff. Um den hieraus resultierenden Fehler zu korrigieren bewirkt die Korrekturschaltung in Abhängigkeit von der Umschaltung eines dem aktiven Filter vorgeschalteten Eingangsspannungsteilers bei einer Änderung des Meßbereiches eine Amplitudenkorrektur des Wechselspannungssignals. Vorzugsweise wird hierzu ein gegengekoppelter Verstärker benutzt, dessen Gegenkopplungswiderstände enstprechend dem Meßbereich umgeschaltet werden.

Der Korrekturschaltung ist ein Effektivwertwandler nachgeschaltet, der das Wechselspannungssignal in ein seinem Effektivwert proportionales Gleichspannungssignal umwandelt. Dadurch kann nicht nur, wie meistens gewünscht, der Effektivwert der Wechselspannung gemessen werden, sondern es liegen auch die Signale beider Meßpfade als Gleichspannungssignal vor, so daß sie leicht wieder zu vereinigen sind.

Zweckmäßigerweise werden die beiden Meßpfade über einen Umschalter mit einem AD-Wandler verbunden. Wahlweise kann somit das Gleichspannungssignal oder das Wechselspannungssignal dem AD-Wandler zugeführt werden.

Durch Betätigen des Umschalters in regelmäßiger Folge zwischen dem Gleichspannungsmeßpfad und dem Wechselspannungsmeßpfad gelingt es nach einer quadratischen Mittelwertbildung beider Signale den Effektivwert des Gesamtsignals zu ermitteln. Es ist zweckmäßig, die Steuer- und Rechenfunktion einem Mikroprozessor zuzuordnen, der auch die Ermittlung des quadratischen Mittelwertes übernimmt. Weiterhin kann der Rechner die Funktion der Korrekturschaltung und gegebenenfalls auch des Effektivwertumformers übernehmen und die vom AD-Wandler abgegebenen Signale entsprechend korrigieren.

Besondere Bedeutung erlangt die erfindungsgemäße Meßanordnung bei einem digitalen Meßgerät mit einer elektronischen, quasi analogen Meßwertanzeige, da das aktive Filter im Gleichspannungsmeßpfad das dynamische Verhalten eines Drehspulmeßwerks mit einer Grenzfrequenz von 0,5 bis 2 Hertz simuliert.

Damit der Spannungsteiler des Meßbereichsschalters nicht durch das Filter belastet wird, ist es zumindestens dann, wenn der AD-Wandlereingang nicht sehr hochohmig ist, vorteilhaft, in den Gleichstrommeßpfad einen Buffer zu schalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben und ist in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Tiefpaßfilter mit Gleichspannungs- und Wechselspannungsmeßpfad

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Meßanordnung mit einem aktiven Filter nach Fig. 1.

Wie Fig. 1 zeigt, gehören zu dem aktiven Filter ein Verstärker V 1, drei Widerstände R 1, R 2, R 3 und zwei Kondensatoren C 1, C 2. An den Eingang des aktiven Filters ist über einen Spannungsteiler Rt 1, Rt 2 eine Eingangsspannung Ue angelegt. Der Spannungsteiler Rt 1, Rt 2 liegt ebenso wie der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers V 1 auf Bezugspotential. Der Abgriff des Spannungsteilers ist über einen ersten Widerstand R 1 und einen in Reihe liegenden ersten Kondensator C 1 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers V 1 verbunden. Im Gegenkopplungszweig, der den Ausgang A des Verstärkers V 1 mit seinem invertierenden Eingang E 2 verbindet, liegt die Reihenschaltung eines dritten Widerstandes R 3 und eines zweiten Widerstandes R 2. Die Reihenschaltung des ersten Kondensator C 1 mit dem Widerstand R 2 wird durch einen zweiten Kondensator C 2 überbrückt. Der als Gleichspannungsmeßpfad DC dienende erste Ausgang des aktiven Filters beginnt dort, wo der erste Kondensator C 1 mit dem zweiten Kondensator C 2 zusammentrifft. Der als Wechselspannungsmeßpfad AC dienende zweite Ausgang des aktiven Filters beginnt am Ausgang A des Verstärkers V 1.

Zwischen seinem Eingang und dem Gleichspannungsmeßpfad DC verhält sich das aktive Filter wie ein Tießpaß nach dem Algorithmus

der Wechselspannungsmeßpfad AC besitzt demgegenüber etwa bis zum zehnfachen Wert der Grenzfrequenz des Tiefpasses Bandpaßverhalten. Oberhalb dieses Wertes wirkt er dagegen wie ein AC gekoppelter Verstärker. Sein Frequenzverhalten wird durch den Algorithmus

beschrieben.

Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbild gibt eine Meßanordnung wieder, die eine elektronische, quasi analoge Meßanzeige ermöglicht. Das Eingangssignal Ue liegt wiederum über einen Spannungsteiler Rt 1, Rt 2 am Eingang eines aktiven Filters 1, 2. Der Block 1 des Filters symbolisiert den Frequenzgang des Tiefpasses und der Block 2 den des Bandpasses. Dem Bandpaß 2 ist eine Korrekturschaltung 3 nachgeschaltet, die das Bandpaßverhalten in ein Hochpaßverhalten umformt. Zweckmäßigerweise verwendet man hierzu einen Hochpaß, dessen Grundfrequenz kleiner als die Resonanzfrequenz des Bandpasses ist. Weiterhin dient die Korrekturschaltung 3 noch dazu das Wechselspannungssignal in seiner Amplitude zu korrigieren. Bei dieser Korrektur soll der Einfluß unterschiedlicher Teilerwiderstände Rt 1, Rt 2 auf den durch R 1 gebildeten Eingangswiderstand des Filters eliminiert werden.

Zur Weiterverarbeitung des Wechselspannungssignals ist es vorteilhaft, wenn dieses in der gleichen Form wie das Gleichspannungssignal vorliegt. Hierzu dient ein Effektivwertumformer 4, der einerseits das Wechselspannungssignal gleichrichtet und andererseits eine Effektivwertwandlung vornimmt.

Einem mit einem AD-Wandler 5 verbundenen Umschalter 8 wird je nach Schalterstellung entweder das Wechselspannungssignal U _AC oder das Gleichspannungssignal U _DC zugeführt. Somit kann wahlweise auf einer Anzeige 7 entweder das Gleichspannungs- oder das Wechselspannungssignal zur Anzeige gebracht werden. Soll jedoch das sich aus Wechselspannungs- und Gleichspannungsanteil zusammensetzende Gesamtsignal gemessen werden, so wird der Schalter 8 in regelmäßigen Abständen umgeschaltet, so daß einmal das Wechselspannungs- und das andere Mal das Gleichspannungssignal am AD-Wandler anliegt. Ein Mikroprozessor bildet nach dem Algorithmus (U _{AC + DC} ) eff = √U + -U aus beiden Werten den quadratischen Mittelwert, der nunmehr auf der Anzeige 7 dargestellt wird. Somit ist es möglich, je nach Betätigung des Umschalters 8 ein reines Wechselspannungssignal, ein reines Gleichspannungssignal oder den Effektivwert eines Mischsignals darzustellen. Wesentlich ist auch, daß das Filter eine hohe Gleichtaktunterdrückung aufweist, ein hoher Gleichspannungsanteil somit das Wechselspannungssignal nicht verfälscht.

Sofern der Eingangswiderstand des AD-Wandlers 5 nicht hochohmig genug ist, wird im Gleichspannungsmeßpfad DC ein Buffer 9 zwischengeschaltet, durch den eine Belastung des Tiefpasses 1 vermieden wird.

Claims (11)

1. Meßanordnung mit einem aktiven Filter, das Tiefpaßverhalten aufweist und dessen Verstärker (V 1) mit seinem nichtinvertierenden Eingang (E 1) auf einem für den Ein- und Ausgang des Filters gemeinsamen Potential liegt und ein erster Widerstand (R 1) den Filtereingang mit einem ersten Kondensator (C 1) verbindet, dessen anderes Ende am invertierenden Verstärkereingang (E 2) angeschlossen ist, und dieser über einen zweiten Widerstand (R 2) mit dem Verstärkerausgang (A) verbunden ist und ein zweiter Kondensator (C 2) den zweiten Widerstand (R 2) und den ersten Kondensator (C 1) überbrückt und sein mit dem ersten Kondensator (C 1) zusammentreffendes Ende den Ausgang des aktiven Filters bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zweiten Widerstand (R 2) und den Verstärkerausgang (A) ein dritter Widerstand (R 3) geschaltet ist und der Ausgang des aktiven Filters ein erster Meßpfad (DC) ist, über den Gleichspannungssignale (U _DC ) geleitet werden und am Ausgang (A) des Verstärkers (V 1) ein zweiter Meßpfad (AC) angeschlossen ist, über den Wechselspannungssignale (U _AC ) geleitet werden und die Meßanordnung die Gleich- und Wechselspannungssignale wahlweise getrennt oder gemeinsam verarbeitet und einer Meßanzeige (7) zuführt.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den zweiten Meßpfad (AC) eine Korrekturschaltung (3) eingefügt ist, die in Verbindung mit dem aktiven Filter (1, 2) insgesamt das Frequenzverhalten eines Hochpasses bewirkt.

3. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturschaltung (3) einen Hochpaß enthält, dessen Grenzfrequenz kleiner als die Resonanzfrequenz des im zweiten Meßpfad (AC) als Bandpaß wirkenden aktiven Filters (1, 2) ist.

4. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturschaltung (3) in Abhängigkeit von der Umschaltung eines dem aktiven Filter (1, 2) vorgeschalteten Eingangsspannungsteilers (Rt 1, Rt 2) bei einer Änderung des Meßbereiches eine Amplitudenkorrektur des Wechselspannungssignals (U _AC ) bewirkt und hierzu vorzugsweise ein gegengekoppelter Verstärker dient, dessen Gegenkopplungswiderstände entsprechend dem Meßbereich umgeschaltet werden.

5. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturschaltung (3) ein Effektivwertwandler (4) nachgeschaltet ist, der das Wechselspannungssignal (U _AC ) in ein seinem Effektivwert proportionales Gleichspannungssignal umwandelt.

6. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsmeßpfad (AC) und der Gleichspannungsmeßpfad (DC) an einem Umschalter (8) liegen, der an einem AD-Wandler (5) angeschlossen ist und wahlweise einen der beiden Meßpfade (DC und AC) mit dem AD-Wandler (5) verbindet.

7. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter in regelmäßiger Folge zwischen dem Gleichspannungsmeßpfad (DC) und dem Wechselspannungsmeßpfad (AC) umschaltet und eine Rechenschaltung den quadratischen Mittelwert von Gleich- und Wechselspannungssignal nach dem Algorithmus (U _AC+DC )eff = √U +U ermittelt.

8. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner (6) vorzugsweise ein Mikroprozessor, die Ermittlung des quadratischen Mittelwertes übernimmt.

9. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner die Funktion der Korrekturschaltung (3) und gegebenenfalls auch des Effektivwertumformers (4) übernimmt und die vom AC-Wandler (5) abgegebenen Signale entsprechend korrigiert.

10. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Filter bei einem digitalen Meßgerät mit einer elektronischen, quasi analogen Meßwertanzeige das dynamische Verhalten eines Drehspulmeßwerks simuliert und im Gleichspannungsmeßpfad eine Grenzfrequenz von 0,5 bis 2 Hertz besitzt.

11. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gleichspannungsmeßpfad zwischen das aktive Filter (1, 2) und den AD-Wandler (5) ein Buffer (9) geschaltet ist.