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hewlett-pa: HP3400A: RMS Voltmeter mit Thermo-Kreuzen

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Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
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01.Jun.16 11:08

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Das HP 3400A RMS (root mean sqare) Voltmeter ist ein "echter" Effektivwert-Messer. Bei diesem Gerät wird der Effektivwert mit Hilfe von Thermo-Kopplern (Thermo-Kreuzen) ermittelt.

Damit ein Spannungsbereich von 1mV bis 300V verarbeitet werden kann, benötigt das Gerät außer einem Spannungs-Teiler im Eingang anschließend einen (kalibrierten) Verstärker. Zum Zweck der Einhaltung (und Stabilisierung) einer konstanten Verstärkung hat dieser Video-Verstärker eine Wechselspannungs-Gegenkopplung. 
Am Ausgang dieses Video-Verstärkers A4 folgt der Thermo-Koppler (TC401, sensing). Das Ausgangs-Signal des Video-Verstärkers "heizt" den Thermo-Koppler TC401.
Im nachfolgenden Blockschaltbild (weiter unten) wird dieser gesamte Zweig mit "Eingangs-Verstärker" bezeichnet.

Die in TC401 erzeugte Thermospannung wird nicht direkt zur Anzeige verwendet. Vielmehr wird die Spannung V (an M1) im Referenzpfad dazu verwendet.
Dieser Referenzpfad ist der eigentliche "Regel-Verstärker", so daß die  gesamte Anordnung eine Regelschleife bildet.

Der Summenpunkt (Σ) wird dabei durch die (Serien-Schaltung der) beiden Thermo-Kreuze (TC401, TC402) gebildet. TC401 und TC402 sind auf gleiche Eigenschaften ausgesucht (matched).

Der Regel-Kreis

Der Eingangs-Verstärker habe die Verstärkung Ae und der Regel-Verstärker habe die Verstärkung Ar. Für die Verstärkung des gesamten Regelkreises Ages zwischen "Input" und "DC Out" gilt dann Ages = Ae:

A_{ges} = \frac{A_e\cdot A_r}{1+A_r} = \frac{A_e}{1/A_r+1} \to \lim_{A_r \to\infty} \frac{A_e}{1/A_r+1} = A_e

Hierbei ist die "Schleifen-Verstärkung" des Regel-Verstärkers Ar als sehr hoch angenommen (theoretisch Ar →∞).

Da die Thermo-Spannungen Gleichspannungen nur wenige mV betragen, müssen diese im Regel-Verstärker folglich sehr hoch verstärkt werden. Das ist aber bei Gleichspannungen schwierig, weil die Arbeitspunkte der Verstärker driften. Man wandelt daher die Thermo-Spannung in eine Wechselspannung um, indem mit ca. 100Hz "gechoppt" wird. Diese Wechselspannung läßt sich leicht hoch verstärken. Daran anschließend wird diese verstärkte Wechselspannung in einem Synchron-Gleichrichter wieder in eine (nun verstärkte) Gleichspannung zurück verwandelt und im Instrument M1 zur Anzeige gebracht.

Da die Thermo-Kreuze die beiden in der Frequenz unterschiedlichen Wechselspannungen (Frequenz des Eingangs-Signals und Frequenz der Chopper-Spannung) in Wärme umsetzen, spielen für den Regelkreis die unterschiedlichen Frequenzen, aber auch die unterschiedlichen Kurvenveräufe dieser beiden Spannungen keine Rolle.

Daher ist das HP3400A ein RMS Voltmeter: Effektivert-Voltmeter (von 10Hz bis 10MHz).

MfG DR

This article was edited 02.Jun.16 14:13 by Dietmar Rudolph .

  
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