DE2851731A1 - Induktiver praezisionsspannungswandler - Google Patents

Induktiver praezisionsspannungswandler

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DE2851731A1
DE2851731A1 DE19782851731 DE2851731A DE2851731A1 DE 2851731 A1 DE2851731 A1 DE 2851731A1 DE 19782851731 DE19782851731 DE 19782851731 DE 2851731 A DE2851731 A DE 2851731A DE 2851731 A1 DE2851731 A1 DE 2851731A1
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voltage
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inductive
divider
winding
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DE19782851731
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Nikolai Ivanovit Daniltschenko
Vasily Prokofiev Daniltschenko
Arkady Abramovitsch Peskin
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KD ELEKTROIZMERIT PRIBOROV
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    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/04Voltage dividers
    • G01R15/06Voltage dividers having reactive components, e.g. capacitive transformer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/20Instruments transformers
    • H01F38/40Instruments transformers for dc

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Description

  • INDUKTIVER PRÄZISIONSSPANNUNGSWANDLER
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Messung von elektrischen Werten und betrifft insbesondere induktive Präzisionsspannungswandler.
  • Die Erfindung kann für eine Vielzahl von Vorrichtungen benutzt werden, deren Funktionieren die Operationen mehrstelligernach einem vorgegebenen Algorithmus (Maßstabumwandlung mit hoher Genauigke itvon Gleich- und Wechselstromsignalen verschiedener Form mit automatischer und einschließt nichtautomatischer Steuerung des Umwandlungsalgorithmus, beispielsweise, von Gleichstrom-Präzisionspotentiometern, Gleich-und Wechselstrom-Eichgeräten, digitalen Gleichstromvoltmetern, Widerstands- und Strommeßeinrichtungen, Digital~Analog-Wsnd~ lern, einschließlich schnellwirkende Digital-Analog-Wandler.
  • Es ist ein Potentiometer bekannt, in dem zum Messen von Gleichstromsignalen ein Wandler benutzt wird, der einen magnetischen Stromkomparator enthält (s. Guildline Instr.
  • Ltd. Canada, DCC Potentiometer Model 9930; N.I. EusterieXal.
  • "A current comparator for the precision measurement of DC ratios", IEE Trans-Communication and Electronics, pp. 22-27, January, 1969).
  • Der Komparator funktioniert nach dem Ausgleich sprinzip der magnetischen Flüsse, die in einem Magnetkern durch zwei gegengeschaltete Wicklungen erzeugt werden, von denen jede von Strom durcnflossen wird. Bei Gleichheit der Anzahl von Amperewindungen dieser Wicklungen wird der magnetische Fluß gleich Null, was sich durch Anlegen einer veränderlichen elektromotorischen Kraft und durch Messen mit dem Amplitudendetektor der von dieser in der Detektorwickluag erzeugten Spannung der zweiten Oberwelle feststellen laßt.
  • Eine hohe Genauigkeit und eine große Stabilität des angegebenen Wandlers wird durch überaus komplizierte konstruktive Ausführungen und einen auch sehr komplizierten technologischen HerstellungsprozeB erreicht, die die Verwendung von hochwertigen Permalloys mit grober Abhängigkeit der magnetischen Permeabilität von der Vormagnetisierung zur Feststellung einer überaus geringen Differenz von Amperewindungen voraussetzen.
  • Ein weiterer Nachteil des angegebenen Wandlers besteht in der Begrenztheit des Frequenzbereiches, wodurch wid dieser nur zur Umwandlung von Gleichstromsignalen benutzt werden kann.
  • Es sind induktive Spannungswandler bekannt, die einen mehrdekadischen induktivenKelv in-Warley-Spannungste ilerenthalten (s.Hewlett-Packard, USA, Electronic for measurement analysis computation, catalog, 1969, p. 191 "Programmable signal generator, Model ?45A, fl3etriebsanleitung; I.I.Hill1 A.P.Miller,"Aseven-decade adjustable ratio inductively coupled voltage divider with 0,1 part per million accuracy.
  • Proceedings of IEE, Vol. 109pt B, 1962, N44).
  • Eine Besonderheit der angegebenen Spannungsteiler besteht in der Leistungsentnahme zur Erzeugung eines magnetischen Flusses der ersten und der nachfolgenden Dekaden aus der Signalquelle, was die Hauptquelle der Behler darstellt.
  • Zur Verminderung der angegebenen Leistung ist es erforderlich, die Induktivität und die Anzahl von Windungen der Teilerwicklungen zu erhöhen, was die Notwendigkeit der Anwendung eines hochwertigen Permalloys bedingt und zur Vergrößerung der Abmessungen des Wandlers, Verwicklung seiner konstruktiven Ausführung und des technologischen Herstellungs--erprozesses des Wandlers führt. Anderseits, da sämtliche Wicklungen des induktiven Spannungsteilers vom Strom durchflossen werden, ist es erforderlich, die Gleichheit der Ausgangswiderstände jeder Stufe in jeder Dekade zu gewährleisten, was strenge Forderungen an die Ausführung der Wicklungen bedingtbzw. die Genauigkeit bei ihrer rereinfachten Herstellung nerabsetzt. Da der induktive Spannungsteiler einen verhältnismäßig niedrigen Dingangswiderstand aufweist, soll der Wandler eine Signalquelle mit kleinem Ausgangswiderstand besitzen, was auch die konstruktive Ausführung des Wandlers komplizierter macht.
  • Es ist ein Wandler bekannt, der eine Verbesserung des induktiven Spannungswandlers ist, dessen Wesen darin besteht, daß der induktive Spannungsteiler in den Rückkopplungskreis e: nes Operationsverstärkers eingeschaltet ist (s. Dynamco, a division of Dynamics corporation of America, Scotland, Publikation Nr 2010-2-0471, Potentiometric Digital Voltmeter 2010, Betriebsanleitung).
  • Der angegebene Wandler enthält einen induktiven EeL~vin--Warley-Spannungsteiler, der mit einer Magnetisierungs- und einer Gegenkopplungswicklung versehen ist, und einen Operationsverstärker, der Rückkopplungskreise besitzt, in eine von denen die Magnetisierungs- und die Gegenkopplungswicklung, in die andere - aie tpeichereinrichtung der Nullkorrektur des Verstärkers eingeschaltet sind. Der Wandler enthält weiter eine einpolige Heferenzspannung, die an den eingang des induktiven Teilers angeschlossen ist, sowie eine an den Ausgang des letzteren angeschlossene Ausgangsvorrichtung.
  • Weiterhin hat der Wandler Schalter zur Umschaltung der Rückkopplungkreise und einen diese steuernden Generator.
  • Der Wandler funktioniert in einem Zweitaktbetrieb. Währen des ersten Taktes jedes Arbeitsspiels erfolgt eine Nullkorrektur des Operationsverstärkers. Zu diesem Zweck werden die Magnetisierungswicklung und die Rückkoppluggswicklung durch entsprechende Schalter vom Operationsverstärker gelöst, der nichtumkehrende Eingang des Operationsverstärkers geerdet, und an seinen umkehrenden Eingang die Speichereinrichtung der Nullkorrektur angeschlossen, an dessen Speicherkondensator eine entsprechende Spannung geformt wird.
  • Während des zweiten Taktes wird durch die Umschaltung der Stromkreise die Korrektur rückkopplung unterbrochen, die Rückkopplungswicklung, die in reihe mit der Reterenzspannungsquelle geschaltet ist, wird an den nichtumkehrenden Eingang des Operationsverstärkers, die Magnetisierungswicklung an seinen Ausgang angeschlossen, und gemäß den EiSen-5 schaften des System mit Gegenkopplung strebt der Operationsverstarker durch Einwirkung über die Magnetisierungswicklung auf die Rückkopplungswicklung die Spannung an seinem Eingang bis auf Null zu vermindern. Dabei ist die Spannung an der Rückkopplungswicklung ganz genau der Spannung an der Referenzspannungsquelle gleich. Entsprechend erfolgt eine genaue, mit Rücksicht auf die Anzahl von Windungen, Übertragung der Spannung der Referenzspannungsquelle auf die Ausgangswicklungen aes induktiven Spannungsteilers. Beim Einschalten der Nul1korrekturchaltung wird der induktive Spannungsteiler vom Operationsverstärker abgeschaltet und von der geEpeicherten Energie im Resonanzschwingungsprozeß befreit, dessen Charakteristiken durch die Parameter des eigentlichen induktiven Spannungsteilers bestimmt werden.
  • Im Laute des zweiten laktes gelangt das Signal vom Ausgang des induktiven Spannungsteilers an die Ausgangseinrichtung, die dieses mit der Gleichspannung vergleicht und eine Impulsspannung formt, die die Funktion der äußeren logischen Einrichtungen steuert.
  • Zweckmäßig wird das einen parametrischen induktiven Spannungsteiler und einen Operationsverstärker enthaltende, während des zweiten taktes funktionierende System als wirkungsgleicher aktiver induktiver Spannungsteiler betrachtet, dessen Kennwerte durch tT'ransformation der Kennwerte des parametrischen Teilers mit dem Verstärker erhalten sind.
  • Die wichtigen Hauptvorteile des aktiven induktiven 'l'eilers im Vergleich mit dem parametrischen sind eine Steigerung der Genauigkeit der Ubertragung der Referenzspannung und eine wesentliche Erhöhung des Eingangswiderstandes, was die konstruktive Ausführung der Referenzspannungsquelle vereinfacht. Zugleich erfordert däs Ausbleiben der steuernden Einwirkung des Verstärkers im ersten Takt zur Gewährleistung der nötigen Dämpfung des Ubergangsprozesse;7 die Ausführung des induktiven Teilersmit hoher Resonanzfrequenz, was die Anwendung eines hochwertigen parametrischen Teilers bedingt. Die Notwendigkeit der Ausführung des hochwertigen induktiven Kelvin-Warley-Teilers als ein Mittel zur Steigerung der Genauigkeit ist dadurch bedingt, daß die Leistungsentnahme zum Formen der Ausgangsspannungen aller nicht am ersten aus Kern angeordneten Dekaden des induktiven 'i'eilers nach wie vbrY den Ausgangswicklungen des ersten Kerns erfolgt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Präzisionsspannungswandler zu schaffen, in dem zugleich ein kontinuierliches Funktionieren des Systems induktiver Spannungsteiler-Verstärker (aktiver induktive Spannungsteiler) mit dem Formen der ganzen Gesamtheit von äquivalenten Kennwerten des aktiven induktiven Spannungsteilers, die die Kennwerte des parametrischen induktiven Spannungsteilers wesentlich überschreiten, ein Ausschließen der Leistungsaus entnahmevden Ausgangswicklungen des induktiven Spannungsteilers und die Möglichkeit einer Umwandlung der Differenz zwischen der Gleich- und der Impulsspannung am Ausgang des induktiven Spannungsteilers in eine Gleichspannung bei hohem Auflösungsvermögen gewährleistet werden.
  • Erfindungsgemaß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß im induktiven Präzisionsspannungswandler, der einen induktiven Spannungsteiler, der einen Magnetleiter und induktiv verbundene Magnetisierungswicklung, Gegehkopplungs wicklung und Ausgangswicklungen besitzt, einen Operationsverstärker, der einen Gegenkopplungskreis hat, in den die Magnet is ierungswicklung und die Gegenkopplungsw icklung des induktiven Spannungsteilers so eingeschaltet sind, daß der üperationsverstärker durch Einwirkung auf die Magnetisierungswicklung das Signal an der Gegenkopplungswicklung derart regelt, daß die resultierende Spannung an seinen Ausgang nach Null strebt, eine an den Eingang des induktiven Spannungsteilers angeschlossene Referenzspannungsquelle, eine Ausgangseinrichtung zur Umwandlung der Ausgangsspannung des induktiven Spannungsteilers, die an den Ausgang des letzteren angeschlossen ist, enthält, der induktive Spannungsteiler ein Filter, dessen Ausgang an den umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, und eine Miopplungswicklungbesitzt, die den Eingang des Filters mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbindet, während die Referenzspannungsquelle mit vernachlässagbar kleiner Gleichkomponente der Spannung an ihrem Ausgang bipolar ausgeführt ist.
  • Gemäß dem Wesen der Erfindung werden als grundsätzliche vorteilhafte Effekte die Steigerung der GenauLgkeit und die Vereinfachung der konstruktiven Ausführung im ergebnis der gleichzeitigen Anwendung des parametrischen induktiven Teilers und des Operationsverstärkers erreicht, die einen aktiven induktiven Teiler bilden, in dem der Verstärker die Kennwerte des parametrischen induktiven Teilers korrigiert.
  • Zweckmäßig besitzt der Spannuilgswandler zumindestens zwei stufenweise verbundene induktive Spannungsteiler, wobei voraufgehende jeder v induktive Spannungsteiler mit einer Eraft- und einer Meßhilfswicklung versehen ist und jeder nachfolgende induktive Spannungsteiler einen magnetischen Schirm enthält, der seine Magnetisierungswicklung, die an die Krafthilfswicklung des vorigen induktiven Spannungsteilers angeschlossen ist, die Korrekturwicklung die an die Meßhilfswicklungdes vorigen Spannungsteilers angeschlossen ist, umfaßt, wobei die Korrektur~wicklung und die Ausgangswicklungen jedes nachfolgenden induktiven Spannungsteilers als den erwähnten Schirm umfassend ausge:Lührt und die Ausgangswicklungen der induktiven Spannungsteiler in Reihe geschaltet sind.
  • Es ist ser wichtig, daß die bipolare Referenzspannungsquelle im Spannungswandler eine bipolare Gleichstromquelle, einen Zweistellungskommutator und einen Steuergenerator besitzt, wobei der Eingang des Kommutators an die Potentialklemmen der Gleichspannungsquelle, der Ausgang des Kommutators an den Eingang des induktiven Spannungsteilers und der Steuergenerator an die Steuereingänge des Kommutators angeschlossen sind.
  • überaus sinvoll enthält die Ausgangseinrichtung im Spannungswandler einen Differentialverstärker und zwei synchrone Zweistellungskommutatoren, wobei jeder der Kommutatoren einen geerdeten Eingang und einen Potentialeingang, der an den Ausgang des induktiven Spannungsteilers angeschlossen ist, einen Ausgang, der an einen der Eingänge des Differentialverstärkers angeschlossen ist, und zwei Steuereingänge besitzt, die an die Ausgänge des Steuergenerators mit Phaseneinstellung angeschlossen sind, die dem synchronen Betrieb der Kommutatoren entspricht.
  • Es ist vorteilhaft, daß die Ausgangseinrichtung im Spannungswandler als ein Wandler der Differenz von Spannungen ausgebildet ist, der die Differenz zwischen der Gleich- und der Impulsspannung am Ausgang des induktiven Spannungsteilers in eine Gleichspannung umwandelt, dabei enthält der Wandler der Spannungsdifferenz einen Zweistellungskommutator, einen Speicherkreis, einen Wandler der Impulsspannung in die Gleichspannung, einen Verstärker und einen Widerstands- Spaniiungsteiier, die miteinander in Reihe verbunden sind, wobei die Kommutatoreingänge an den induktiven und den Widerstands- Spannungsteiler, die Steuereingänge des Kommutators und die Steuereingänge des Wandlers der Impulsspannung in die Gleichspannung an die Ausgänge des teuergenerators angeschlossen sind.
  • Zweckmäßig sind der Eingang des Zweistellungskommutators und der Eingang des Widerstands- Spannungsteilers im Spannungswandler an die Gleichspannungsquelle anschließbar ausgeführt.
  • Es ist wünschenswert, daB der Spannungswandler der Ausgangseinrichtung einen Kondensator, dessen eine Kleiiime an die Erde und dessen andere Klemme - an den Ausgang des Zweistellungskommutators angeschlossen ist, und einen Regler der Ausgaagsspannung des Steuergenerators enthalt, der an den Ausgang des Steuergenerators und zumindestens an einen Steuereingang des Zweistellungskommutators angeschlossen ist.
  • Es ist wichtig, daß die Ausgangseinrichtung im Spannungswandler mit einem Stromkreis versehen ist, der einen Kondensator enthält, über den der Eingang des Zweistellungskommutator mit dem Ausgang des induktiven SpgLlungsteilers verbunden ist, und einen Schalter besitzt, dessen eine Klemme an den erwähnten Eingang des Eommutators und dessen andere Klemme - an die Erde angeschlossen ist, wobei der Steuereingang des Schalters mit dem Ausgang des Steuergenerators verbunden ist.
  • Die Verwendung des angegebenen Stromkreises gestattet, die Genauigkeit zu erhöhen und die konstruktive Ausführung des Wandlers infolge der Umwandlung der bipolaren Spannung am Ausgang des induktiven Teilers in eine einpolige Spannung mit einer Amplitude, die dem hub der bipolaren Spannung am Ausgang des induktiven Teilers gleicqist, vom Verhältnis der Dauerzeiten der Impulse jeder Polarität unabhängig ist, zu vereinfachen.
  • Ein weiterer aus der Anwendung des angegebenen Stromkreises resultierende Vorteil ist die Steigerung der Auflösung durch Unterdrückung des Niederfrequenzrauschens des Operationsverstärkers des aktiven induktiven Sp.annungste ilers.
  • Es ist sinnvoll daß der Spannungswandler eine Ausgangseinrichtung besitzt, die mit einer Spannungsquelle der Korrektur des Ausgangssignals des induktiven Spannungsteilers versehen ist, über die der Schalter mit Erde verbunden ist.
  • Es ist fertigungsgerecht,dad die Spannungsquelle der Korrektur des Ausgangssignals des induktiven Spannungsteilers im Spannungswandler als ein Widerstands-Ausgangsspannungs; teiler des Wandlers der Differenz zwischen der Gleich- und der Impulsspannung am Ausgang des induktiven Spannungsteilers in die Gleichspannung ausgeführt ist.
  • Im folgenden wird das Wesen der erfindung anhand von en AusführungsbeispielS unter Bezugnahme aur beiliegende Zeichnungen ausführlich erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipschaltung des erfindungsgemaßen ininduktivenPräzisions-Dreidekaden-Spannungswandlers; Fig. 2 eine Prinzipschaltung des erfindungsgemäßen Präzisions-Sechsdekaden-Spannungswandlers mit stufenweiser Verbindung der induktiven Spannungsteiler; Fig 3 eine Prinzipschaltung Ger Referenzspannungsquelle,gemä der Erfindung; Fig. 4 eine Prinzipschaltung der Ausgangseinrichtung, die die bipolare Spannung am Ausgang des induktiven Spannungsteilers in die Gleichspannung verwandelt, gemiX der Erfindung; Fig. 5 eine Prinzipschaltung des Wandlers der Ditferenz-- zwischen der Impuls- und der Gleichspannung in eine Gleichspannung, gemäß der Erfindung; Fig. 6 eine Prinzipschaltung einer Ausführungsvariante des Wandlers der Differenz zwischen der Impuls- und der Gleichspannung in eine Gleichspannung mit in die Schaltung eingescflalteter Gleichspannungsquelle, gemäß der Erfindung; Fig. 7 eine Prinipschaltungeiner Ausführungsvariante des Eingangsteils des Wandlers der Differenz zwischen der Impuls- und der Gleichspannung in eine Gleichspannung mit regelbarer Steuerspannung, gemäß der Erfindung; Fig. 8 eine Prinzipschaltung einer Ausführungsvariante des Eingangsteils des Wandlers der Differenz zwischen der Impuls- und der Gleichspannung in eine Gleichspannung mit eingeschaltetem Wandler der bipolaren Ausgangsspanung des induktiven Spannungsteilers in eine einpolige Spannung, gemaß der Erfindung; Fig. 9 Spannungskurven in verschiedenen Punkten der in Fig. 8 dargestellten Schaltung, gemäß der Erfindung; Fig.10 eine Prinzipschaltung einer Ausführungsvariante des Wandlers der bipolaren Ausgangsspannung des induktiven Spannungsteilers in eine einpolige Spannung mit dem Einschalten der Spannungsquelle der Korrektur, gemäß der Erfindung; Fig. 11 eine Prinzipschaltung einer Ausführungsvariante des rückgekoppelten Wandlers der Differenz zwischen der Lmpuls- und der Gleichspannung in eine Gleichspaiiiiung, gemaß der «Erfindung; In Fig. 1 ist der induktive Präzisionsspannungswandler dargestellt, der eine Referenzspannungsquelle 1, einen aktiven induktiven Spannungsteiler 2, der einen Operationsverstärker 3 mit nicht umkehrendem und umkehrendem Eingang 4 bzw. 5 und einem Ausgang 6 hat, ein Filter 7, das einen Widerstand 8 besitzt, der zwischen dem Eingang 9 des Filters 7 und dem umkehrenden Eingang 5 des Operationsverstärkers 3 angeschlossen ist, und einen Kondensator 10 enthält, der den umkehrenden Eingang 5 erdet. Der angegebene Wandler enthält weiter einen parametrischen induktiven Spannungsteiler, auf dessen Kern 11 die Magnetisierllngswicklung 12, die Gegenkopplungswicklung 13, die Slitkopplungswicklung 14, die Ausgangswicklungen 15, 16, 17 aufgewickelt sind, die folgendermaßen eingesuualtet sind: die Wicklung 12 ist zwischen dem Ausgang 6 des Verstärkers 3 und der Erde, die Wicklung 13 zwischen dem Ausgang der Quelle 1 und dem Eingang 4 des Verstärkers 3, die Wicklung 14 zwischen dem Ausgang 6 des Verstärkers 3 und dem Eingang 9 des Filters 7 geschaltet, die Ausgangsschaltungen 15, 16, 17 sind in Reihe über die Schalter 18, 19, 20 eingeschaltet und mit der niederpotentialen Klemme der Wicklung 17 an die Srde und mit der hochpotentialen Klemme 21 des Umschalters 18 an die Ausgangseinrichtung 22 angeschlossen.
  • ver Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Spannungswgndlers ist die Gewährleistung einer hohen Genauigkeit bei gleichzeitiger Vereinfachung der konstruktiven Ausführung und des technologischen Herstellungsvorganges. Eine Vereinfachung der konstruktiven Ausführung wird durch die Verwendung von kleinen Kernen aus einem Werkstoff mit niedriger magnetischer Permeabilität, insbesondere aus Ferriten, und Wicklungen mit geringer Anzahl von Windungen erreicht. Dies vermindert jedoch die Zeitkonstante der Magnetisierungswicklung und verschlechtert folglich die niederfrequenten elektrischen Kennwerte des parametrischen induktiven Teilers.
  • Weiterhin macht die Transformatorschaltung der Ausgangswicklungen eine Steigerung der Genauigkeit und verschiedenartige Kombinationen der Schaltungen zum Einschalten der Ausgangawicklungen möglich und bewirkt gleichzeitig eine Verminderung der Resonanzfrequenz und eine Begrenzung der 9'frequenz des parametrischen induktiven Teilers in seinem Hochfrequenzgebiet .
  • Die angegebene Vereinfachung der konstruktiven AusSührung des parametrischen induktiven Teilers bedingt auch eine Verminderung seines Eingangs- und eine Erhöhung seines Ausgangswiderstandes. In diesem Zusammenhang werden die vorteilhafte Unterschiede des aktiven induktiven Spannung teilers bezüglich des parametrischen Teilers durch eine bedeutende Einwirkung des Operationsverstärkers erreicht.
  • Bei der benutzung des frequenzanabhangigen Operationsverstärkers wird die Zeitkonstante des aktiven induktiven Spannungsteilers mit einem Verstarkungsfaktor ii(o) um das K(o)fache steigen, die Resonanzfrequenzen erhöhen sich auch um das E(o)fache, was es gestattet die oben angegeoene VerXchlechterung der elektrischen Kennwerte des parametrischen induktiven Teilers zu kompensieren.
  • Gemäß der in Fig. 1 angegebenen Schaltung, in der die Rückkopplungswicklung 13 in Reihe mit dem Eingang 4 des Verstärkers3geschaltet und induktiv mit den Wicklungen 12 und 14 verbunden ist, wird eine Steigerung des Eingangs und eine Verminderung des Ausgangswiderstandes des aktiven induktiven Spannungsteilers bezüglich des parametrischen Teilers erreicht.
  • Aus obengesagtem folgt, daß eine Steigerung der Genauigkeit bei der Vergrößerung des Verstärkungsfaktors des Operationsverstärkers erreicht wird. Wenn an dem Ausgang des frequenzunabhängigen Verstärkers eine niederoimige Magnetisierungswicklung angeschaltet wird, so ruft selbst eine durchaus geringe Gleichspannung an seinem Eingang einen bedeutenden Ausgangsstrom hervor, der das Betriebsverhalten des Verstärkers stört, den induktiven Spannungsteiler vormagnetisiert und den Verstärkungsfaktor eines solchen Verstärkers begrenzt. Im erfindungsgemäßen Spannungswandler bildet der Verstärker 3 gemeinsam mit dem filter 7 und der iMIitkoplungswicklung 14 einen frequenzabhängigen Verstärker, dessen Verstärkungsfaktor beim Gleichstrom gleich Eins ist, und im Maße der Steigerung der Signalfrequenz dank dem gegenphasigenEinschalten der Wicklung 14 und dem Vorhandensein des filters 7 der Ubertragungsfaktor im Rückkopplungskreis rasch abnimmt, was entsprechend zur Vergrößerung des VerstärksagsSaktors und einer korrigierenden Einwirkung des Verstärkers führt. Die Wicklungen 14 und 12 sind mit einer gleichen Zahl von Windungen ausgeführt. Die Wicklung 14 kannmit einer größeren Anzahl von Windungen mit einem Anschluß des Spannungsreglers an ihren Ausgang ausgeführt werden.
  • Der in der Zeichnung gezeigte Anschluß der Ausgangswicklungen 15, 16, 17 gestattet es, eine beliebige Anzahl von gegeneinander isolierten Ausgangswicklungen mit ihrer Kopplungsschaltung zu schaffen, die durch das konkrete Ziel der Anwendung des Wandlers bestimmt wird. Von besonderem eine Interesse ist v Ausführung der Wicklungen bei der die Windungszahlen, einem bestimmten Kode, beispielsweise, dem binären entsprechen.
  • Die konstruktive Ausführung des Wandlers gestattet die Verwendung von verschiedenartigen Kommutatoren der Ausgangswicklungen. Anstelle von dekadischen Umschaltern 18, 19, 20 können Halbleiterschalter verwendet werden, was es ermöglicht, auf Grund des Wandlers automatische Meßeinricht ungen aus zuführen.
  • Der Wandler kann als ein Vielkanalwandler mit dem Anschluß verschiedenartiger Ausgangse inrichtungen an jede Gruppe der Ausgangswicklungen ausgeführt werden. Dabei findet eine Maßstabkopplung der ganzen Gesamtheit von Ausgangssignalen statt. Es ist insbesondere eine Ausführtingsvarian te des Wandlers möglich, der maßsbabgemä gekoppelte isolierte Ausgänge aufweist.
  • Da der Wandler eine hohe wenauigkeit der Wiedergabe von Rechteckimpulsen (Amplitudenverzerrung # bis 10 6) hat, unterscheidet sich der Rechteckimpuls im Intervall seines Bestehens nicht von Gleichstrom. Mit Rücksicht auf die oben angegebenen Ausführungsvarianten der Ausgangswicklungen und ihrer Kommutatoren gestattet dies, den Wandler zur Schaffung von Digital-Analog-Wandlern, insbesondere schnellwirkenden,anzuwenden, deren hohe Genauigkeit von der Genauigkeit der Wiedergabe der Spannung an den Ausgangswicklungen des Wandlers und der Unterdrückung von Durchschaltungs-störungen dank einem geringen Singangswiderstand des induktiven Spannungsteilers bedingt ist.
  • Dank den oben angeführten Ursachen bietet der Wandler die Äusführungsmöglichkeiten von Digital-Analog-wandlern mit hoher genauigkeit.
  • Wenn es erforderlich ist, das Auflö sungsvermögen zu steigern, wird der Wandler mit stufenweiser Verbindung der induktiven Spannungsteiler (Fig.2) ausgeführt. Zu diesem Zweck ist der vorhergehende induktive Teiler (im gegebenen Fall ein aktiver induktiver Teiler 2) mit einer Kraft- und einer MeshilEswicklung 23 bzw. 24 versehen, während der nachfolgende induktive Teiler. 25 eine Magnetisierungswicklung 26, die auf den Kern 27 aufgewickelt ist, eine Sorrektur~,wicklung 28 und Ausgangswicklungen 29, 3O, 31 besitzt, die auf den magnetischen Schirm 32 aufgewickelt sind, der die Wicklung 26 umfasst, wobei die Wicklungen 26, 28 an die Wicklungen 23 bzw. 24 angesind schlossen, und die Ausgangswicklungen 29, 30, 31 sind über die Umschalter 33, 34, 35 bzw 18, 19, 20 in Reihe mit den Ausgangswicklungen 15,16, 17 des ersten Teilers 2 verbunden. Der eiler 25 und jeder nachfolgende Teiler werden mit einer Ewaft- und einer Messwicklung ausgeführt, falls das Einschalten des nachfolgenden Schalters erwartet wird.
  • Die Meßwicklung 24, die Korrekturwicklung ng 28 und der aus weichmagnetischem Stoff ausgeführte magnetische Schirm 32 bilden ein Korrekt ursystem, das es gestattet, die Genauigkeit der Ubertragung der Spannung vom vorhergehenden induktiven Teiler zum nachfolgenden zu steigern und dank der engen induktiven Kopplung zwischen der Wicklung 28 und den Ausgangswicklungen 29, 30, 31 die Ausgangsspannung des nachfolgenden induktiven Teilers 25 zu vermindern.
  • Die Wicklung 24 gehört zum Bündel von Leitungen der Wicklung 17, die die niedrigere Dekade des induktiven Teilers 2 darstellt, und daher entspricht die Spannung in dieser genau der Spannung an den Stufen der angegebenen Dekade. Zur Steigerung der Korrektur genauigkeit soll der die Wicklungen 24, 28 enthaltende Stromkreis niederohmig ausgeführt sein. Dies wird insbesondere durch die Ausführung der Wicklung 24 aus einigen parallelgeschalteten Leitungen der Wicklung 17 erreicht. Die Wicklung 28 und die Ausgangswicklungen 29, .30, 31 sind am ganzen magnetischen Schirm 32 praktisch gleichmäßig verteilt.
  • Falls eine weitere Steigerung des Auflösungsvermögens erforderlich wird, kann der Wandler mit einem dritten induktiven Spannungsteiler versehen werden, dessen konstruktive Ausführung mit der des zweiten induktiven 'l'eiles 25 identisch ist. Dabei wird eine Krafthilfswicklung ausgeführt, die der Wicklung 23 ähnlich ist, und von den Leitungen des Bündels der Wicklung 35 wird eine Meßhilfswicklung gebildet, die der Wicklung 24 analog ist.
  • Die Ausgangswicklungen des dritten induktiven Teilers sind mit den Ausgangswicklungen der induktiven 'lXeiler 2, 25, in Reihe verbunden.
  • Bei der Ausführung des Wandlers mit stufenweisem Einschalten der induktiven Spannungsteiler werden die Windungszahlen mit Rücksicht auf die Maßstabfaktoren gewählt.
  • Die Referenzspannungsquelle 1 wird mit vernachlä bar geringer Größe der Gleichspannung am Ausgang bipolar ausgeführt. Dabei kann die Spannung an seinem Ausgang eine beliebige Form aufweisen, die durch die funktionelle Bestimmung des Wandlers bedingt ist. Bei der Benutzung des Wandlers in Gleichstromeinrichtungen soll die Quelle 1 (Fig. 3) eine bipolare Spannung in Form von Rechteckimpulsen entstehen lassen. Die Quelle 1 enthält zwei verschiedenpolig eingeschaltete Gleichstromquellen 36, 37, einen Zweistellungskorniiiutator 98 und einen Steuergenerator 39, wobei die Eingänge 40, 41 des Kommutators 38 an die Potentialklemmen der Quellen 36, 37 und der Ausgang 42 des Kommutators 38, der den Ausgang der Quelle 1 darstellt, an die Gegenkopplungswicklung 13 angeschlossen sind, dabei sind die Steuereingänge 43, 44 des Kommutators 38 an die Ausgänge 45, 46 des Generators 39 angeschlossen.
  • Der Zweistellungskommutator 38 enthält als Durchschaltungselemente mit M-OS-Dransistoren aufgebauten Schalter1 deren Steuerung mit Hilfe des Steuergenerators 39 erfolgt.
  • Vie Besonderheit des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels der Ausgangseinrichtung des Wandlers besteht in der Möglichkeit der Umwandlung der rechteckigen bipolaren Spannung in eine Gleichstromspannung ohne zwischengeschaltete Speicherung, was es gestattet, die Schnellwirkung zur Schaffung eines schnellwirkenden Digital-Analog-Wandlers zu steigern.
  • Die Ausgangseinrichtung enthält einen Differentialverstärker 47 und zwei synchrone Zweistellungskommutatoren 48 und 49, deren Potentialeingänge 50, 51 an den Ausgang 21 des induktiven Spannungsteilers 2 angeschlossen, die Eingange 52, 53 geerdet, die Ausgänge 54, 55 entsprechend an den nichtumkehrenden und den umkehrenden Eingang des Verstärkers 4? und die Steuereingänge 56, 57 an den Steuergenerator 39 angeschlossen sind. Die Kommutatoren 48, 49 besitzen Durchschaltungselemente, die als mit S-Transistoren aufgebauten Schalter ausgeführt sind.
  • Eine Ausführungsvariante des Wandlers mit einer Ausgangseinrichtung, die als ein Wandler der Differenz zwischen der Impuls- und der Gleichspannung in eine Gleichspannung funktioniert, ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Ausführung des Wandlers gestattet es, seine Funktionen wesentlich zu erweitern und insbesondere ihm Funktionen eines Gleichspannungseichgerätes und einer Binrichtung zur Messung von Gleichstromsignalen (Potentiometer, Voltmeter) zu verleihen.
  • Die Ausgangseinrichtung enthält einen Zweistellungskommutator 48, einen Speicherkreis 58, einen Wandler 59 der Impulsspannung in die Gleichspannung und einen Gleichstromverstärker 60, die miteinander in Reihe verbunden sind. Der Ausgang 61 des letzteren ist an den Eingang des Widerstandsspannungsteilers 62 angeschlossen, mit dessen Ausgang 63 der Eingang 52 des Zweistellungskommutators 48 verbunden ist. Dabei ist der Steuereingang 64 des Wandlers 59 zusammen mit den Steuereingängen 56, 57 des Zweistellungskommutators 48 an die Ausgänge 45, 46 des Steuergenerators 39 so angeschlossen, daß in der geschlossenen Struktur der Ausgangseinrichtung eine Gegenkopplung gewährleistet wird.
  • In den nachstehenden Figuren der Zeichnung wird ein Teil der Prinzipschaltung der Ausgangse inricht ung, der die Baugruppen 58, 59, 60 enthält, als eine Baugruppe 65 mit dem Eingang 54 und dem Ausgang 61 dargestellt.
  • Der Wandler, dessen Ausführungsbeispiel in Fig. 6 dargestellt ist, enthält eine Ausgangseinrichtung, die mit einer Gleichspannungsquelle 66 zusätzlich ausgeführt ist, die jeweils zwischen den Eingängen 55, 63 des Zweistellungskommutators 48 und des resistenten Spannungsteilers 62 eingeschaltet ist. Das Vorhandensein der Quelle 66 gestattet es, den Anfangspegel der Spannung im Punkt 61 zu verschieben, und insbesondere eine bipolare Gleichspannung am Wandlerausgang zu erzeugen. Bei der Benutzung des Wandlers als Potentiometer bzw. Voltmeter ist die Quelle 66 zugleich eine Quelle der zu messenden Spannung.
  • Eine in Fig. 7 gezeigte Verbesserung der vorliegenden Ausgangseinricht;ung gestattet es, Fehler auszuschließen, die in dem Fall entstehen, wenn die Quellen66, die verwendet werden, einen verschiedengroßen Innenwiderstand aufweisen bzw. sich der Innenwiderstand der Quelle 66 während des Betriebs ändert. Die in Fig. 7 dargestellte Einrichtung enthält zusätzlich einen Kondensator 6?, der die Klemme 54 und den Regler 68 der Steuerspannung am Steuereingang 57 erdet, der an den Steuergenerator 39 durch die Klemme 69 angeschlossen wird.
  • Eine Besonderheit der Ausgangseinrichtung, deren Prinzipschaltung in Fig. 8 gezeigt ist, ist das Vorhandensein des Wandlers der bipolaren Spannung am Ausgang des induktiven Spannungsteilers in die einpolige, was es gestat-tet, die Genauigkeit und das Auflösungsvermögen des Wandlers im ganzen zu steigern. Zu diesem Zweck ist die Ausgangseinrichtung mit einem Kondensator 70 versehen, der zwischen dem Eingang 50 des Zweistellungskommutators 48 und dem Ausgang 21 des induktiven Spannungsteilers und dem den Eingang 50 erdenden Schalter 71 eingeschaltet ist, dessen Steuereingang 71 an den Generator 39 angeschlossen ist.
  • Eine weitere Entwicklung dieser Einrichtung ist in Fig. 10 gezeigt, wo die Erdung des Schalters 71 über eine Potentialklemme 73 der geerdeten Quelle 74 ausgeführt wird, die verschiedenarti6re funktionelle Bestimmungen haben. Die Quelle 74 läßt sich insbesondere zur Nulleinstellung der Ausgangse inrichtung anwenden.
  • Die Notwendigkeit der Nulleinstellung der AusgangseinricJ tung ist durch das Vorhandensein von Verstärkern und Schaltern in dieser bedingt. Die in Fig. 10 gezeigte Äusführungsvariante des Nullkorrektors weist den Vorteil auf, daß das Signal des Nullkorrektors gegen Erde eingeführt wird, während der Stromkreis des Nullkorrektors mit den Strom kreisen nicht verbunden ist, die die Genauigkeit der Ausgangse inricht ung, beispielsweise, mit dem resistenten Teiler 62 bestimmen.
  • In Fig.ll ist eine Ausführungsvariante der Ausgangseinrichtung gezeigt, in der die Quelle 74 durch den Ausgang 63 des resistenten Teilers 62 gebildet ist, so daß die Klemme 73 an den Ausgang 63 unmittelbar angeschlossen ist, was es gestattet, die Ausgangseinrichtung mit der gemeinsamen Gegenkopplung zu versehen.
  • Der behandelte induktive Präzisionsspannungswandler funktioniert wie folgt.
  • Durch den das Filter 7 und die Wicklung 14 enthaltenden Rückkopplungskreis ist der Verstärker 3 mit einem Verstärkungsfaktor von Eins gleichstromstabili siert. Dabei stören die praktisch möglichen Größen der Gleichspannung am Eingang ( einige Millivolt), die durch die Nulldrift des Verstärkers 3 und der Referenzsparnun6'squelle bedingt sind, die Funktionstüchtigkeit des Wandlers nicht.
  • Beim Anlegen einer Wecnselspannung von der eferenzspannungsquelle 1 an die Gegenkopplungswicklung 13 erzeugt aer Operationsverstarker 3 durch Einwirkung auf die Magnetisierungswicklung 12 im Kern 11 einen solchen magnetischen Fluß, der-in der Wicklung 13 eine Spannung erzeugt, die zur Spannung der Quelle 1 gegenphasig und nach der Größe gleich ist, so daß sich die Spannung am Eingang des Verstärkers 3 bis auf Null vermindert.
  • Die Spannung an den Ausganswicklungen 15, 16, 17, die mit der Wicklung 13 induktiv verbunden sind, ist der Spannung der Quelle 1 proportional. Die Spannung am Ausgang 21 des induktiven Teilers wird durch die Umschalter 18, 19,20 eingestellt und gelangt an die Ausgangseinrichtung 22.
  • Die Erreichbarkeit der Steigerung der Genauigkeit der Wiedergabe von Impulsen ist am Beispiel der Wiedergabe des flachen Teiles eines Rechteckimpulses gezeigt.
  • Bei der Über tragung eines Rechteckimpulses über den induktiven Teiler entsteht an seinem Ausgang ein Impuls von verzerrter Form, wobei die unbedeutende Tmpulsverzerrung in der zeitlichen Verminderung der Amplitude des Ausgangs impulses besteht. Die relative Verminde-Dauer rung der Impulsamplitude A in der Zeit seiner Dauer kennzeichnet das Durchlaßband des Wandlers im Niederfrequenzgebiet. Bei der benutzung des induktiven Teilers ohne Operationsverstärker ist Hierin bedeuten: tu die Impulsdauer; die Zeitkonstante.
  • Das Einschalten des Verstärkers mit einem frequenzunabhängigen Verstärkungsfaktor K(o)gestattet es, zu ernalten, das heißt um das K(o)fache geringer, was einen Idealfall darstellt. Außerordentlich wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers ist die gleiche Genauigkeit der Wiedergabe von Rechteckimpulsen, wie bei der Benutzung eines frequenzunabhängigenVerstärkers, das heißt, daß die Verzerrung des Impulsdachs für den erfindungsgemäß en Wandler von der Formel (2) bestimmt wird, was seine weiten Möglichkeiten in der Wiedergabe von Impulsen bei gleichzeitiger Stabilisierung der Betriebsbedingungen des Verstärkers 3 im Gleichstrombetrieb zeigt.
  • Die Dynamik dcs Wandlers, die durch das Dämpfugsdekrement # (System der zweiten Ordnung) gekennzeichnet ist, wird vom Verhältnis bestimmt, in dem T - Zeitkonstante des Filters 7 ist und das sich durch die Größe von T beim vorgegebenen r unabhängig vom Verstärkungsfaktor des Verstärkers 3 regelt.
  • Die nachstehend angeführten Verhältnisse veranschaulichen quantitätsmäßige Kennwerte des Wandlers. Bei Z- = 0,1 s, T=l s, S(o)=103, tu = 0,5.10-3 ist die Amplitudenverzerrung A =5.10-6 und das Dämpfungsdekrement ##0,l6.
  • Die angegebenen Vorteile sind insbesondere durch eine gemeinsame Wirkung der Wicklung 14 und des Filters 7 bedingt. Es sei der vorteilhafte von der Wicklung 14 erzeugte Effekt hervorgeheben. Fehlt diese (die Windungszahl ist gleich Null),wird die Amplitudenverzerrung durch das Verhältnis # = tu (4) ermittelt und ist bei den vorstehend angegebenen Parametern um das l00fache größer, als bei einer gemeinsamen Wirkung der Wicklung 14 und des Filters ?.
  • Obwohl der Verstärker 3 des Wandlers einen Verstärkungsfaktor ftir Gleichstrom gleich Eins und entsprecheni einen um das E(o)fache geringeren Verstärkungsfaktor flir das Signal hat, soll nichtsdestoweniger der Gleichkomponentenwert an Eingang des Verstärkers bedeutend begrenzt sein. Die quantitätsmaßige Begrenzung Strom, wird durch die belastbarkeit und durch den konstruktiven Aufbau des induktiven Spannungsteilers bestimmt. Nach den 3eurteilungswerten, die die konkrete konstruktive Ausführung des Wandlers betreffen, beträgt der zulässige Pegel der Gleichkomponente am Eingang des Verstärkers 3 einige Millivolt, was,ohne spezifische Schwierigkeiten in der Ausführung des Wandlers zu schaffen, eine solche konstruktive Ausführung der Referenzspannungsquelle bedingt, die mit vernachläßigbar kleiner Gle ichspannungskomponente an ihrem Ausgang bipolar auszuführen ist.
  • Der Spannungswandler mit stufenweisem binschaltender induktiven Spannungsteiler funktioniert wie folgt.
  • Über die Kraftwicklung 23 wird an der Magneti ierungswicklung 24 des induktiven Teilers 25 eine Spannung erzeugt, die durch die Wicklungen 2d, 29, 30, 31 transformiert wird. Bei einer vereinfachten konstruktiven Ausführung des induktiven Teilers 25, die der konstruktiven Ausführung des parametrischen induktiven Teilers im aktiven Teiler 2 identisch ist, erfolgt die Transformation der Spannung mit einer Signalamplituden- und -Formverzerrung, wodurch die Spannung an der Wicklung 28 mit der Spannung an der Wicklung 24 nicht übereinstimmt. Das führt zum Entstehen im Stromkreis der Wicklungen 23, 28 eines Korrekturstroms, der im magnetischen Schirm 32 einen korrigierenden magnetischen Fluß erzeugt, der den angegebenen Strom vermindert, indem er in der Wicklung 28 eine zusätzliche elektromotorische Kraft erzeugt, die die Spannung an den Wicklungen 24 und 28 ausgleicht. Das niederorimige Korrektur qystembedingt äußerst geringe Unterschiede der Spannungen an den Wicklungen 24, 2S, was eine genaue Obertragung der Spannung vom aktiven induktiven Teiler 2 an den induktiven Teiler 25 bedeutet. Die Ausgangsspannung in den Wicklungen 29, 30, 31 wird also durch die gemeinsame Wirkung des magnetischen Hauptflusses, der durch die Wicklung 26 im Kern 27 erzeugt wird, und des magnetischen Lorrekturflüsses gebildet, der vom Korrekturs,system im magnetischen Schirm 32 erzeugt wird und mit Rücksicht auf die zu bestimmenden Zahlen der Windungen der Maßstabfaktoren genau der Spannung der Ausgangswicklungen des induktiven Teilers 2 entspricht. Eine enge magnetische Kopplung der Ausgangswicklungen 29,30,31 mit der Wicklung 28, die durch die Wicklung 24 praktisch kurzgeschlossen ist, bedingt einen geringen Ausgangswiderstand des induktiven ICeilers 25, der dem ohmschen Widerstand der Wicklungen 29, 30, 31 praktisch gleich ist.
  • Die Quellen 36, 37 werden abwecnselnd mit den Potentialausgängen durch die Eingänge 40, 41 des Kommutators 38 an seinen Ausgang 42 angeschlossen, wozu an die Steuereingänge 43, 44 des Kommutators 38 eine Spannung gegeben wird, die den MOS-Transistor leitend macht. Zum Ausschließen der Gleichkonstante am Eingang des Verstirker9 3 wird das Verhältnis zwischen den Spannungswerten der Quellen 36, 37 und der Dauer des Schließens der Eingänge 40, 41 des Kommutators 3ö an seinen Ausgang 42 derart gewählt, daß eine Gleichheit der Flächen der positiven und der negativen Halbwelle der bipolaren Spannung im Punkt 42 gewährleistet wird. Die Impulsfolgefrequenz und ihre Dauer werden von dem Steuergenerator 39 vorgegeben.
  • Zum Erzeugen einer Gleichspannung positiver Polarität am Ausgang des Differentialverstärkers 47 (Fig. 4) bei einer positiven Polarität der Spannung am Ausgang 21 des induktiven Teilers wird an den Eingang 56 vom Generator 39 eine Spannung gegebene die die MOS-Transistoren leitend machen, die den Eingang 50 des Kommutators 48 mit seinem Ausgang 54 und den Eingang 53 des Kommutators 49 mit seinem Ausgang 55 verbinden. Dabei entsteht am Ausgang des Verstärkers 47 eine Spannung positiver Polarität. Bei einer Spannung der negativen Polarität am Ausgang 21 des induktiven Spannungsteilers, wird die SpannungXdie die MOS-Transistoren leitend macht, an den Eingang 57 gegeben, so daß der Ausgang 21 über den Eingang 51 des Kommutators 49 mit dem Ausgang 55 des Komautators 49, der Ausgang 52 des Kommutators 48 mit seinem Ausgang 54 verbunden wird. Bei den angegebenen Zustände der Schalter gelangt die Spannung vom Ausgang 21 an den umkehrenden Eingang des Verstärkers 47, so daß an seinem Ausgang eine Spannung, mit einer Polarität gebildet wird, die mit der Polarität der positiven Halbwelle der Spannung übereinstimmt.
  • Zum Erhalten einer Gleichspannung negativer Polarität am Ausgang des Verstärkers 47 wird die Polarität der Spannung am Ausgang 21 und den Eingängen 56, 57 auf die entgegengesetzte bezüglich der vorgenannten geändert.
  • Die Besonderheit der Ausgangseinrichtung (Fig. 5) besteht darin, daß die Gleichspannung am Eingang 52 des Kommutators 4d, der einen der Eingänge der Ausgangseinrichtung darstellt, vom Ausgang 61 des Verstärkers 60 kommt.
  • Die Funktion des Zweistellungskommutators 48 ist der des oben beschriebenen analog. Bei der Verbindung des Einganges 50 mit dem Ausgang 54 des Kommutators 48 gelangt die Spannung einer der Polaritäten vom Ausgang 21 des induktiven Spannungsteilers an die Speicher 58, wo ihre Amplitude gespeichert wird. Bei der Verbindung des Einganges 52 mit dem Ausgang 54 gelangt an den Speicher 56 die Spannung vom Ausgang 63 des resistenten 'l'eilers 62. Die Polaritäten der bpannungen, die an die Eingänge 50, 52 gelangen, sind so gewahlt, daß bei Ungleichheit ihrer Amplituden am Ausgang des Upeicners 58 ein Spannungsimpuls entsteht, der von der Baugruppe 59 in eine Gleichspannung in Übereinstimmung mit Impulsen der Steuerspannung verwandelt wird, die an den Steuereingang 64 des in der Baugruppe 59 enthaltenen Schalters gelangen, wobei die Phase der Steuerspannung die Bildung der Gegenkopplung bedingt. Die vom Verstärker 60 verstärkte Spannung gelangt über den Ausgang 61 an den Ausgang 63 des Widerstands-Teilers 62. Dem sich am Ausgang 61 einstellenden Spannungswert entspricht die Gleichheit der Amplituden an den Ausgängen 21 bÇw. 63 des induktiven und des Widerstands-Spannungsteilers. Dabei ist die Amplitude der Spannung am Ausgang 61 um das n/fache größer als die Amplitude der Spannung am Ausgang 21 des induktiven 'Leilers, wobei n-der Teilungsfaktor des Widerstands- Teilers 62 ist.Bei der Einstellung der Spannung am tusgang 21 des induktiven iteilers, beispielsweise, durch die Umschalter 18, 19, 20, 33, 34, 35 ändert sich die Gleichspannung am Ausgang 61, was es gestattet, den Wandisches ler als eine mehrdekad) Eichgerät für Gleichstromspannung zu benutzen.
  • Nachstehend wird die Funktion des Wandlers bei der Benutzung der Quelle 66 zur Bildung einer bipolaren Gleich stromspannung am Ausgang 61 erläutert.
  • Dem sich am Ausgang 61 einstellenden Sparmungswert entspricht die Gleichheit der Amplitude am Ausgang 21 des induktiven Teilers mit der Summe der Spannung am Ausgang 63 des Widerstands-t'eilers 62 und der Spannung der Quelle 66, das heißt U21=U66 + U63, dabei bedeuten U21, U66, U63 die Amplituden der jeweiligen Spannungen in dem Punkten 21, 66, 63.
  • Dabei wird die Spannung U63 durch das Verhältnis U63 =U21 - UU6 ermittelt und hat ein verschiedenes Vorzeichen je nach dem Verhältnis des Spannungen U21 und U66. In dem Fall, wenn U66 di zu messende Spannung ist, kann ihre GröBe beim Einschalten eines Anzeigegerätes, das die Funktion eines Nullorgans erfüllt.
  • am Ausgang 61 bestimmt werden.
  • Durch Einstellung der Spannung U21 mit den Schaltern 1d, 19, 20, 33, 34, 35 ist es möglich, die Spannung U61 in Null zu verwandeln, was vom Anzeigegerät (vom Nullorgan) angezeigt wird. Dabei ist U66 = U21, was es gestattet, die Größe der Spannung U66 nach den Stellungen der angegebenen Umschalter zu bestimmen.
  • Die oben angeführten Verhältnisse veranschaulichen die Möglichkeit der Benutzung des Wandlers mit einem die Funktion eines Nullorgans erfüllenden Anzeigegerät als ein Potentiometer. Wie bekannt, erfolgt bei der Steuerung des mit MOS-'i'ransistoren aufgebauten Kommutators über die Zwischenelektrodenkapazitäten, die die Jteuerelektroden 56, 57 mit anderen Elektroden (Senke, Quelle) verbinden, eine Obertragung der Ladungen, die am Eingang 52 einen strom entstehen lassen, der am Widerstalld der Quelle 66 eine Spannung erzeugt Die Größe des angegebenen Stroms ist bei den gegebenen Zwischenelektrodenkapazitäten proportional der Größe der Steuer spannung und ihrer Frequenz. Bei der Minimisation des Rauschens der Ausgangseinrichtung mit dem Ziel, das Auflösungsvermögen des Wandlers zu steigern, ist es erforderlich, die Schalter des Kommutators 48 mittels der Spannungen mit ausreichend hoher Amplitude erhöhter Frequenz (ca. 1 kHz) zu steuern.
  • Dabei kann der angegebene Strom überaus noch sein (ca. 10-8 A), woraus merkliche Fehler resultieren (Verschiebung der Null um 1 f<Vbei einer Variation des Widerstandswertes um 100 Ohm).
  • Die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsvariante der Ausgangseinrichtung/gestattet wesentlich (ca. um das 102fache)die Grobe des angegebenen Stroms zu vermindern. Der Kondensator 67 ist eine kapazitive Halle, die die über die Zwischenelektrodenkapazitäten kommenden Ladungen konzentriert und mit einer Zeitkonstante C.R1 festhält, wobei R1 den Widerstand des offenen Schalters, C die Kapazität des Kondensators 67 bedeuten. falls die Zeitkonstante der Flanke ( dieFlankensteilheit) der Stuerspannungen bedeutend kleiner als C.R1 ist, ist es unter Berücksichtigung der gegenseitigen Polarität der Ladungen, die von den aneinanderanliegenden Zwischenelektrodenkapazitäten kommen, möglich, durch eine Regelung der Steuerspannung am Steuereingang des Kommutators 48 eine genau Kompensation der La zungen durchzuführen.
  • Die Funktion des Wandlers mit der Ausgangseinrichtung, deren Prinzipschaltung in Fig. 8 veranschaulicht ist, wird von den in Fig. 9 dargestellten Zeitdiagrammen der Spannungen den erläutert, in denen 9 a, b, o, d die Spannungskurven inVPunkte 21, ?2, 50, 56 zeigen.
  • Bei der Beschreibung der Funktion wurde angenommen, daß der schalter beim Vorhandensein einer negativen Spannung an seinem Steuereingang im leitenden Zustand ist.
  • Beim Vorhandensein der negativen Steuerspannung am Steuereingang ?2 des Schalters 71 wird der Kondensator ?° von der positiven Halbwelle der Spannung am Ausgang 21 des induktiven Spannungsteilers aufgeladen, so daß an seinem an den Eingang 21 angeschlossenen Belag eine positive Spannung entsteht, und die Spannung im Punkt 50 wird gleich Null. Synchron mit der Entstehung der Spannung negativer Polarität am Ausgang 21 wird der Schalter 71 nichtleitend (die Spannung am Steuereingang 72 ist gleich Null), und die Spannung negativer Polarität summiert sich mit der im Kondensator ?0 gespeicherten Spannung, gelangt über den Eingang 50 des Kommutators 48 an seinen Ausgang 54, und wird im Speicher 58 (Fig. 5) gespeichert.
  • Gemäß dem Obengesagten gelangt an den Speicher 58 eine Spannung, die der Summe der Spannungen der positiven und negativen Halbwelle, das heißt dem Spannungshub am Ausgang 21 gleich ist. Eine Steigerung des Auflösungsvermögens wird dadurch erreicht, daß der den Kondensator 70 sowie den Schalter 71 enthaltende und in Übereinstimmung mit dem Obengesagten funktionierende Stromkreis einen Übertragungsfaktor aufweist, der der ersten zeitlichen Ableitung des Signales an seinem Eingang proportional ist. Daher gelangen die niederfrequenten Geräusche des Verstärkers praktisch nicht an den Speicher 58 und erzeugen am Ausgang 61 keine anfängliche Rauschspãnnung.
  • Die gemä Fig. 10 ausgeführte Ausgangseinrichtung funktioniert so, wie oben beschrieben wurde, nur mit dem Unterschied, daß beim leitenden Zustand des Schalters 71 am Kondensator 70 die Spannung der Quelle 74 zusätzlich gespeichert wird, die zusammen mit dem Signal am Ausgang 21 des induktiven Teilers an den Speicher 58 übertragen wird. Die Spannung der Quelle 74 wird derart eingestellt, daß beim Ausbleiben des Signals am Ausgang 21 die Spannung am Ausgang 61 Null gleich ist.
  • Der die gemäß Fig. 11 ausgeführte Ausgangseinrichtung enthaltende Spannungswandler funktioniert wie ein System mit Gegenkopplung analog der in Fig. 5 gezeisten Ausführungsvariante mit don UnterschiedenJ die mit der Obertragung des Signals über den Schalter 71 verbunden und bei der Beschreibung der Funktion des in Fig. 10 dargestellten Stromkreises angegeben sind. Der sich einstellende Spannungswert am Ausgang 61 des Wandlers entspricht dem Verhältnis U63 + 21(2) = U52 (9) Hierin bedeuten: U21(>) den Hub der Spannung am Ausgang 21, U63, U52 die Gleichspannungen in den Punkten all Ausgang 63 und Eingang 52.
  • Bei der Benutzung des Wandlers als Eichgerät ist gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel U52 = ° (Punkt 52 ist geerdet) U63 U21 (# = U2l(> (10) Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Wandlers zur Messung der Spannung wird die geerdete Quelle der zu messenden Spannung U66 mit dem Potentialeingang an die Klemme 52 angeschlossen. Mit dem Anzeigegerät, das die Funktion des Nullorgans erfüllt und an dem Ausgang 61 angeschlossen ist, wird die Gleichheit U66 = U21(;E) (11) eingestellt, aus dem nach der Stellung der Umschalter 18, 19, 20, 33, 34, 35 U66 ermittelt wird.
  • Die Benutzung der beschriebenen Vorrichtung gestattete insbesondere, ein tragbares Potentiometer der Genauigkeitsklasse 0,00005 im Temperaturbereich von +10 bis +30 °C (fehler maximal 10-7Ux +04 µ V im 10 4 im 7Ux+0,4µ V im 10 V Meßbereich) zu schaffen, das ein Auflösungsvermögen eines Halbleiterverstärkers 20 nV mit einem Strom von 5.10-11 A am Ausgang aufweist. Das Potentiometer ischen enthält einen siebendekad induktiven mit normalen kleinen Perritkernen ausgeführten Spannungsteiler, was entsprechende Vorteile des technologischen Herstellungsprozesses bedingt.
  • Mit diesem Wandler wurde ein siebendekadisches Gleichspannungseichgerät geschatten, dessen Linearität von der fürs Potentiometer angegebeneni?ormel bestimmt wird.

Claims (10)

  1. PTENTNSPRUC1IE: Induktiver Präzisionsspannungswandler, der einen induktiven Spannungsteiler, der einen Magnetleiter und eine induktiv verbundene Magnetisierungswicklung, Gegenkoppl ungswicklung und Ausgangswicklungen besitzt, einen Opetationsverstärker, der einen Gegenkopplungskreis hat, in den die Magnetisierungswicklung und die Gegenkopplungswicklung des induktiven Spannungsteilers so eingeschaltet sind, daß der Operationsverstärker, durch Einwirkung auf die Magnetisierungswicklung das Signal an der Gegenkopplungswicklung derart regelt, daß die resultierende Spannung an seinem Eingang nach Null strebt, eine an den Eingang des induktiven Spannungsteilers angeschlossene Referenzspannungsquelle, und eine Ausgangseinrichtung zur Umwandlung der Ausgangsspannung des induktiven Spannungsteilers enthält, die an den Ausgang des letzteren angeschlossen ist, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der induktiver Spannungsteiler (2) ein Filter ( 7 ), dessen Ausgang an den umkehrenden Einfang ( 5 ) des Operationsverstärker. ( 3 ) angeschlossen ist, und eine Mitkopplungswicklung (14) besitzt, die den eingang des Filters ( 7 ) mit dem Ausgang ( 6 ) des Operationsverstärkers ( 3 ) verbindet, während die Referenzspannungsquelle ( 1 ) mit vernachlässigbar kleiner Gleichkomponente der Spannung an ihrem Ausgang bipolar ausgeführt ist.
  2. 2. Spannungswandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er zumindestens zwei stufenwel se verbundene, induktive Spannungsteiler ( 2 ), (25) besitzt, jeder vorhergehende induktive Spannungsteiler ( 2 ) mit einer Hilfskraft- und einer Hilfsmeßwicklung (23), (24) versehen ist, und jeder nachfolgende induktive Spannungsteiler (25) einen magnetischen Schirm (32), der seine Magnetisie rungswicklung ( o6), die an die Hilfskraftwicklung (23) des Vorhergehenden Induktiven Spannungsteiler (2) angeschlos-und sen ist, umfaßt,Veine Eorrektur<,wicklung (28) aufweist, die an die Hilfsmeßwicklung (24) des vorhergehenden induktiven Spannungsteilers (2) angeschlossen ist, wobei die Korrekturwwicklung und die Ausgangswickllnngen (28), (29),(30),(31) jedes nachfolgenden induktiven Spannungsteilers (25) so ausgeführt sind, daß sie den erwähnten magnetischen Schirm (32) umfassen, während die Ausgangswicklungen (18), (19),(20),(29),(30),(31) der induktiven Spannungsteiler (2), (25) in Reihe geschaltet sind.
  3. 3. Spannungswandler nach Ansprüchen 1,2, da d u r c h g e/k e n z e c i h n e t, daß die bipolare Referenzspannungsquelle (1) eine bipolare Gleiohspannungsquelle (36), (3?), einen Zweistellungskommutator (38) und einen Steuergenerator (39) besitzt, dabei sind die Ausgänge (40), (41) des Kommutators (38) an die Potentialklemmen der Gleichstromquelle (36), (37), der Ausgang (42) des Lommutators (38) an den eingang des induktiven Spannungsteilers (2) und der.Steuergenerator (39) an die Steuereingänge (43), (44) des Kommutators (38) angeschlossen.
  4. 4. Spannungswandler nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgangseinrichtung (22) einen Differentialverstärker (47) und zwei synchrone Zwei stellungskommutatoren (48) enthält, wobei jeder der Kommutatoren (46), (49) einen geerdeten Eingang (52), (53), einen an den Ausgang (21) des induktiven Spannungsteilers (2) angeschlossenen Potentialeingang (50), (51), einen an einen der Eingänge des Differentialverstärkers (47) angeschlossenen Eingang (54), (55) und einen Steuereingang (56), (57) aufweist, der an die Ausgänge (45), (46) des.teuer6venerators (39) mit Phaseneinstellung angeschlossen ist, die dem synchronen Betrieb der Kommutatoren (48), (49) entspricht.
  5. 5. Spannungsteiler nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgangseinrichtung (22) als ein Spannungsdifferenzwandler ausgebildet ist, der die Differenz zwischen der Gleich- und der Impulsspannung am Ausgang (21) des induktiven Spannungsteilers in Gleichspannung umwandelt, dabei enthält der zweistellungskommutator (48) einen Speicherkreis (58), einen Wandler (59) der Impuls- in die Gleichspannung, einen Verstärker (60) und einen Widerstandspannungsteiler (62), die miteinander in reihe verbunden sind, dabei sind die Eingänge (50), (52) des Kommutators (48) an den induktiven und den Widerstandsspannungsteiler, die Steuereingänge (56), (57) des Kommutators (48) und der Steuereingang (64) des Wandlers der Impuls- in die Gleich-Spannung an die Ausgänge (45), (46) des d;teuergenerators (39) angsohlos sen.
  6. 6. Spannungswandler nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Eingang (52) des Zweistellungskommutators (48) und der Eingang (63) des Widerstands- Teilers (62) anschließbar an die Gleichspannungsquelle (66) ausgeführt ist.
  7. 7. Spannungswandler nach Ansprüchen 5, 6,d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgangseinrichtung (22) einen Kondensator (67), dessen eine Klemme an die Erde und dessen zweite an den Ausgang (54) des Zweistellungskommutators (48) angeschlossen ist, und einen Regler (68) der Ausgangsspannung des Steuergenerators (39) aufweist, der an den Ausgang des Steuergenerators (39) und zumindestens an einen Steuereingang (5?) des Zweistellungskommutators (48) angeschlossen ist.
  8. 8. Spannungswandler nach Ansprüchen 5, 6, 77d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgangse inrichting (22) mit einem Stromkreis, der einen Kondensator (70) enthält, über den der Eingang (50) des Zweistellungskommutators (48) mit dem Ausgang (21) des induktiven Spannungsteilers verbunden ist, und einem Schalter (71) versehen ist, dessen eine Klemme an den erwRnnten Eingang (50) des Kommutators (48) und dessen andere Klemme an Erde angeschlossen ist, wobei der Steuereingang des Schalters (71) mit dem Ausgang des Steuergenerators (39) verbunden ist.
  9. 9. Spannungswandler nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgangseinrichtung (22) eine Spannungsquelle (74) für die Korrektur des Ausgangssignals des induktiven Spannungsteilers besitzt, über die der Schalter (71) mit borde verbunden ist.
  10. 10. Spannungswandler nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Spannungsquelle (74) für die Korrektur des Ausgangssignals des induktiven Spannungsteilers als ein Widerstans-I'eiler der Ausgangsspannung des Wandlers der Differenz zwischen der Gleich- und der Impulsspannung am Ausgang (21) des induktiven Spannungsteilers in Gleichspannung ausgeführt ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP4198525A1 (de) * 2021-12-16 2023-06-21 Siemens Aktiengesellschaft Spannungsmessung in elektrischen versorgungsnetzen

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EP4198525A1 (de) * 2021-12-16 2023-06-21 Siemens Aktiengesellschaft Spannungsmessung in elektrischen versorgungsnetzen

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