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INDUKTIVER PRÄZISIONSSPANNUNGSWANDLER
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Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Messung von elektrischen
Werten und betrifft insbesondere induktive Präzisionsspannungswandler.
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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.
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Es ist ein Potentiometer bekannt, in dem zum Messen von Gleichstromsignalen
ein Wandler benutzt wird, der einen magnetischen Stromkomparator enthält (s. Guildline
Instr.
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Ltd. Canada, DCC Potentiometer Model 9930; N.I. EusterieXal.
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"A current comparator for the precision measurement of DC ratios",
IEE Trans-Communication and Electronics,
pp. 22-27, January, 1969).
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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.
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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.
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Ein weiterer Nachteil des angegebenen Wandlers besteht in der Begrenztheit
des Frequenzbereiches, wodurch wid dieser nur zur Umwandlung von Gleichstromsignalen
benutzt werden kann.
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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.
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Proceedings of IEE, Vol. 109pt B, 1962, N44).
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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.
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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.
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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).
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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.
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Weiterhin hat der Wandler Schalter zur Umschaltung der Rückkopplungkreise
und einen diese steuernden Generator.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zweckmäßig sind der Eingang des Zweistellungskommutators und der
Eingang des Widerstands- Spannungsteilers im Spannungswandler an die Gleichspannungsquelle
anschließbar ausgeführt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 .
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dank den oben angeführten Ursachen bietet der Wandler die Äusführungsmöglichkeiten
von Digital-Analog-wandlern mit hoher genauigkeit.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Ausgangswicklungen des dritten induktiven Teilers sind mit den
Ausgangswicklungen der induktiven 'lXeiler 2, 25, in Reihe verbunden.
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Bei der Ausführung des Wandlers mit stufenweisem Einschalten der
induktiven Spannungsteiler werden die Windungszahlen mit Rücksicht auf die Maßstabfaktoren
gewählt.
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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.
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Der Zweistellungskommutator 38 enthält als Durchschaltungselemente
mit M-OS-Dransistoren aufgebauten Schalter1 deren Steuerung mit Hilfe des Steuergenerators
39 erfolgt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der behandelte induktive Präzisionsspannungswandler funktioniert
wie folgt.
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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.
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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.
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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.
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Die Erreichbarkeit der Steigerung der Genauigkeit der Wiedergabe
von Impulsen ist am Beispiel der Wiedergabe des flachen Teiles eines Rechteckimpulses
gezeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ?.
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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.
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Der Spannungswandler mit stufenweisem binschaltender induktiven Spannungsteiler
funktioniert wie folgt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachstehend wird die Funktion des Wandlers bei der Benutzung der
Quelle 66 zur Bildung einer bipolaren Gleich stromspannung am Ausgang 61 erläutert.
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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.
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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.
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am Ausgang 61 bestimmt werden.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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Bei der Beschreibung der Funktion wurde angenommen, daß der schalter
beim Vorhandensein einer negativen Spannung an seinem Steuereingang im leitenden
Zustand ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mit diesem Wandler wurde ein siebendekadisches Gleichspannungseichgerät
geschatten, dessen Linearität von der fürs Potentiometer angegebeneni?ormel bestimmt
wird.