DD209918A1

DD209918A1 - Anordnung zur digitalen effektivwertmessung

Info

Publication number: DD209918A1
Application number: DD24259582A
Authority: DD
Inventors: Uwe Buehn
Original assignee: Uwe Buehn
Priority date: 1982-08-18
Filing date: 1982-08-18
Publication date: 1984-05-23

Abstract

Die Anordnung zur digitalen Effektivwertmessung von periodischen Wechselsignalen beliebiger abszissensymmetrischer Kurvenform, auch mit Gleichanteil ist in der Wechselstrommesstechnik fuer hoehere Frequenzen mit beliebig hoher Aufloesung bei vertretbarer Mess- und Rechenzeit fuer Echtzeitbetrieb anwendbar. Die Erfindung realisiert im wesentlichen mehrere seriell laufende pegelgesteuerte Zeitmessvorgaenge,mittels Auszaehlung hochgenauer Referenzsignale und anschliessender Verrechnung nach einem speziellen Algorithmus durch einen Mikrorechner.

Description

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Anordnung zur digitalen Effektivwertmessung Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur digitalen Effektivwertmessung von periodischen Wechselsignalen beliebiger abszissensymmetrischer Kurvenform, auch mit einem Gleichanteil.

Hauptanwendungsgebiet ist die automatische elektronische Meßtechnik, insbesondere die automatische Punktionsprüfung in der Leiterplattenfertigung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Seit langer Zeit (W. Witt, D. Pranke1, Technisches Messen atm, 1976, Heft 11, Seite 341 ff.) sind Verfahren zur digitalen Ermittlung des Effektivwertes periodischer Zeitfunktionen bekannt, bei denen der Amplituden-Zeitfunktion in zeitlich äquidistanten Schritten Probenwerte entnommen werden, aus denen nach Analog-Digital-Wandlung und digitaler Zwischenspeicherung eine Effektivwertberechnung in einem sehr schnellen Digitalrechner nach der Effektivwertdefinitionsformel erfolgt oder die Speicherwerte quadriert und zu einem Näherungswert des Integrals über eine Periode T weiterverarbeitet werden, beispielsweise mittels der bekannten Simpsonregel oder der Trapezformel.

Es sind weiterhin Verfahren bekannt (DE-OS 28 06 695), bei denen eine Periode der Amplitudenzeitfunktion in Ή gleich große

Zeitabschnitte At = ψ geteilt wird, der Amplituden-Zeitfunktion zu den Zeitpunkten η . At = B T Probenwerte f (S T) entnommen werden, und der Effektiw/ert EW durch den Algorithmus

(Ef/)² = i S" f² (S T)

ermittelt wird.

Es sind jedoch auch Anordnungen bekannt (DD-WP 14-0 923, 146 659, 151 510, 151 511), mit denen am zu messenden Signal zuerst eine quadrierende Analog-Frequenzumsetzung bzw. Analog-Impulszahlumsetzung mit anschließender radizierender Inipulszählung vorgenommen wird und die Ausgabe des Effektivwertes numerisch erfolgt.

Sin erster entscheidender lachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß für ihre technische Realisierung ein hochschneller und hochauflösender Analog-Digitalumsetzer benötigt wird, der über eine ultraschnelle Abtast- und Halteschaltung verfügen muß, wenn der Effektivwert von Zeitfunktionen ermittelt werden soll, deren Frequenzen im IHz-Gebiet liegen.

Ein weiterer JSachteil besteht darin, daß zur Ermittlung des genäherten Integralwertes viele zeitaufwendige Operationen, insbesondere Multiplikationen erforderlich sind, so daß die Auswertung grundsätzlich erst nach Zwischenspeicherung sämtlicher Probenwerte erfolgen kann und,einen hohen Zeitaufwand erfordert. Eine mit Änderung der Meßgröße zeitlich schritthaltende Messung (Echtzeitverarbeitung) ist deshalb nicht möglich.

Slit dem Ziel, die Nachteile der bekannten Verfahren zur digitalen Effektivwertinessung mit AD-Ümsetzung, insbesondere bei stark von der Sinusform abweichenden Signalen zu vermeiden und dabei eine hohe Auflösegenauigkeit bei höherer Signalfrequenz und kurzer Meß- und Rechenzeit zu ermöglichen, wurde bereits ein Verfahren vorgeschlagen, das im Echtzeitbetrieb eine digitale Effektivwertmessung von periodischen Wechselsignalen beliebiger abszissensymmetrischer Kurvenform, auch mit Gleichanteil für höhere Grundfrequenzen gestattet, wobei eine superschnelle Abtast- und Halteschaltung sowie aufwendige AD-Umsetzer vermieden werden. Die Messung ist im wesentlichen auf eine pegelgesteuerte Zeitmessung zurückgeführt,

Da2U wurde bereits vorgeschlagen, daß der positive Spitzenwert A, der negative Spitzenwert B, die Periodendauer T und die höchste

repräsentative spektrale Frequenzkomponente des Signals fmax nach bekannten Meßverfahren digital ermittelt und gespeichert werden, daß eine Anzahl von 2(ϊΤ-1) + 1, wobei I - 0,75.T.fmax gewählt wird, unterschiedlicher Amplitudenpegel, die sich wie folgt ergeben:

liullpegel

positive Pegel p* = + ^B | | η =

negative Pegel p^ = ^f^ - ä-γ* 9 § Έ Z 2

mit dem Signalmomentanwert während einer oder mehrerer Perioden verglichen werden, wobei die Zeitabschnitte t ; t" während der der Signalmomentanwert innerhalb einer Periode positiver als der jeweilige positive Pegel P* bzw, negativer als der jeweilige negative Pegel P~ ist, digital gemessen und gespeichert werden und daß der Effektivwert EW der Gesamtfunktion mittels bekannter Rechenverfahren nach folgendem Algorithmus

N-1 ΪΤ-1

^t _(SW)2 _{= (}Α^Β₎₂ J

gebildet wird.

Sine Erhöhung der AufISsung wird dadurch erreicht, daß alle Zeitmeßvorgänge über mehrere Perioden des Signals akkumuliert werden.

Es wurde vorgeschlagen, daß die Zeitmessung durch Auszählen von Taktimpulsen eines hochgenauen Referenzoszillators erfolgt, wobei die Zählvorgänge bei Pegelgleichheit mit dem Signalmomentanwert gestartet, gestoppt und/oder in ihrer Zählrichtung umgekehrt v/erden.

Beim bereits vorgeschlagenen Verfahren besteht der Zusammenhang, daß ein vom Gleichanteil bereinigter Effektivwert des Wechselsignals nach folgendem Algorithmus gebildet wird:

(EYA?)² = (EW)² -

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die Uachteile der bekannten Anordnungen zur digitalen Effektivwertmessung mit AD-Umsetzung, insbesonders bei stark von der Sinusform abweichenden Signalen zu vermeiden und dabei eine hohe Auflösegenauigkeit bei hoher Signalfrequenz zu ermöglichen.

Darlegung: des 'Wesens, der Erfindung;

Ausgehend von obiger Zielstellung besteht die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des bereits vorgeschlagenen Verfahrens anzugeben.

Bei einer Anordnung, bestehend aus einem programmierbaren Ein/ Ausgabebaustein, einem Digital-Analog-Umsetzer mit bipolarer Ausgangsspannung, einem ersten Komparator und einem RS-KLipflop, die zusammen mit einem Mikrorechner im ersten Meßschritt einen sukzessiv approximierenden Analog-Digital-Umsetzer zur Bestimmung des Spitzenwertes A bilden, einem zweiten Komparator, einem quarzgenauen Taktgenerator, einer logischen Verknüpfungsschaltung, einem elektronischen Zähler und einer die wahlweise 1-bis M-fache Periodendauer des Meßsignals erzeugenden Impulsaüsblendeschaltung, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Eingang des zweiten Komparators mit dem zwei ten Eingang des ersten Komparators und dem gemeinsamen Signaleingang und der zweite Eingang des zweiten Komparators mit Bezugspotential verbunden sind, der Ausgang des ersten Komparators mit einem ersten Eingang der logischen Verknüpfungsschaltung und der Ausgang des zweiten Komparators über die Impulsausblendeschaltung mit einem zweiten Eingang der logischen Verknüpfungsschaltung verbunden sind, ein Takteingang der logischen Verknüpfungsschaltung durch den Taktgenerator gespeist ist, ein Steuereingang mit dem Ein-/Ausgabe-Baustein verbunden ist und der Ausgang der logischen Verknüpfungsschaltung den Zähler speist, dessen Informationsausgänge über den Ein/Ausgabe-Baustein mit dem Mikrorechner verbunden sind.

Ausführtmgsbeispiel

Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird an Hand eines Blockschaltbildes die erfindungsgemäße Anordnung näher erläutert. Ein programmierbarer Ein/Ausgabe-Baustein 1, ein bipolarer Digital-Analog-Umsetzer (DAU) 2, ein erster Komparator 3.1» ein R-S-Plipflop 4 "und ein Mikrorechner 9 bilden einen Analog-Digital-Wandler. Hach der Methode der sukzessiven Approximation wird die Ausgangsspannung des DAU 2 solange geändert, bis ein Zustand erreicht ist, bei dem der Ausgang des RS-Flipflops 4 beim Zuschalten einer Quantisierungseinheit am niedrigsten Bit-Eingang des DAU (ISB) seinen Ausgangszustand ändert. In diesem Moment ist der Spitzenwert der Amplitude A bis auf eine halbe Quantisierungseinheit bestimmt.

Im nächsten Meßschritt setzt der Mikrorechner 9 über den Ein/ Ausgabe-Baustein 1 den Steuereingang St einer logischen Verknüpfungsschaltung 6 auf "low", so daß auf den Ausgang y der Verknüpfungsschaltung 6 solange die Taktimpulse am Takteingang c von einem Taktgenerator 5 durchgeschaltet werden, solange am Eingang Xp "high" liegt (y = ^ · °)· Mittels eines zweiten Komparators 3·2 einer Impulsausblendeschaltung 8, der Verknüpfungsschaltung 6, dem Zähler 7 wird ein Zählergebnis ζ über die zur Messung vorgesehenen M Perioden T (M . T) gewonnen und im Mikrorechner 9 gespeichert.

In den folgenden 2(U-1) Meßschritten wird der DAU 2 vom Mikrorechner 9 über den Ein-/Ausgabe-Baustein 1 nacheinander auf die folgenden Referenzpegel

η = 1,2. . .27-1

programmiert. Der Mikrorechner 9 wählt für Ή eine ganze Zahl, die sich entsprechend der höchsten repräsentativen spektralen Prequenzkomponente fmax des zu messenden Signals wie folgt ergibt

H * o,75 . T . fmax

Der Mikrorechner 9 setzt weiterhin über den Sin/Ausgabe-Baustein 1 den Steuereingang St der logischen Verknüpfungsschaltung β auf "high", so daß y = :T, . Z₂ . c gilt.

Pur jeden Referenspegel p*; p~ werden nunmehr nacheinander die Zählergebnisse Z für positive Pegel ρ und Z für negative Pegel p~\ über M Perioden ermittelt und im Mikrorechner 9 aufsummiert .

!lach Abschluß dieser 2(S^--I) Messungen errechnet der Mikrorechner 9 nach folgendem Algorithmus den Effektivwert des Signals

Z V^

- δ

υ . Z₀

Claims

ym

Erfindungsanspruch

Anordnung zur digitalen Effektivwertmessung von periodischen Wechselsignalen beliebiger abszissensymmetrischer Kurvenfortn, bestehend aus einem programmierbaren Ein/Ausgabe-Baustein, einem Digital-Analog-Umsetzer mit bipolarer Ausgangsspannung, einem ersten Komparator und einem RS-Flipflop, die zusammen mit einem Mikrorechner im ersten MeBschritt einen sukzessiv approximierenden Analog-Digital-Umsetzer zur Bestimmung des Spitzenwertes A bilden, einem zweiten Komparator, einem quarzgenauen Taktgenerator, einer logischen Verknüpfungsschaltung, einem elektronischen Zähler und einer die wahlweise 1-bis M-fache Periodendauer des Meßsignals erzeugenden Impulsausblendeschaltung, gekennzeichnet dadurch, daß der erste Eingang (-) des zweiten Komparators (3«2) mit dem zweiten Eingang (-) des ersten Komparators (3·O und dem gemeinsamen Signaleingang (U/%,) und der zweite Eingang (+) des zweiten Komparators (3·2) mit Bezugspotential verbunden sind, der Ausgang des ersten Komparators (3·Ό mit einem ersten Eingang (x..) der logischen Verknüpfungsschaltung (6) und der Ausgang des zweiten Komparators (3.2) über die Impulsausblendeschaltung (8) mit einem zweiten Eingang (x·,) ^^er logischen Verknüpfungsschaltung (6) verbunden sind, ein'Takteingang (c) der logischen Verknüpfungsschaltung (6) durch den Taktgenerator (5) gespeist ist, ein Steuereingang (ST) mit dem Sin/Ausgabe-Baustein (1) verbunden ist und der Ausgang (Y) der logischen Verknüpfungsschaltung (6) den Zähler (7) speist, dessen Informationsausgänge über den Ein/Ausgabe-Baustein (1) mit dem Mikrorechner (9) verbunden sind.

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