DE2929408A1

DE2929408A1 - Electronic analogue to frequency converter range adaptation circuit - controls signal input rate and frequency generator division from input

Info

Publication number: DE2929408A1
Application number: DE19792929408
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Paasch; Peter Scheew
Original assignee: Stepper & Co
Current assignee: Stepper & Co
Priority date: 1979-07-20
Filing date: 1979-07-20
Publication date: 1981-02-05

Abstract

An analogue-to-frequency converter circuit for measurement value sensing or conversion operates an analogue values singly or as products. It automatically adjusts the measurement voltage to the operating ranges of the electronic components in the converter whose offset voltages and drift are negligible compared to the useful signal. It eliminates the complexity and expense of conventional circuits and the errors associated with load resistance switching. The measurement signal is periodically switched to the converter filter at a frequency dependent or a range selector operating according to the signal level. The range selector controls the division of a frequency generator output via two frequency divider stages so that the relationship between the output frequency of the analogue-to-frequency converter and the measurement parameter remains constant.

Description

Elektronischer Neßwertwandler Electronic measuring transducer

Die üblichen Methoden Meßgrößen einem Meßgerät oder einer Meßschaltung anzupassen sind Vor- und Nebenwiderstände sowie Strom- und Spannungswandler.The usual methods measured quantities from a measuring device or a measuring circuit series and shunt resistors as well as current and voltage transformers have to be adjusted.

Es sind auch Schaltungen bekannt, die diese Meßgrößenanpassung automatisch, d.h.Circuits are also known which automatically adapt this measured variable, i.e.

in Abhängigkeit von der Meßgröße selbst vornehmen. Die Notwendigkeit zur Anpassung tritt vor allem dann auf, wenn Meßgrößen über einen Meßbereich noch richtig gemessen werden sollen, der den Arbeitsbereich elektronischer Bauelemente u. U. um ein Mehrfaches übersteigt. So ist es auf dem Gebiet der Energiemessung erwünscht, die elektrische Arbeit noch in einem Bereich von beispielsweise 1:500 mit einer Meßunsicherheit von weniger als 0,1 x bezogen auf den jeweiligen Meßwert zu erfassen. Wegen der Offsetspannungen und Driften am Eingang von Verstärkerschaltungen sind solche Bereiche mit relativ billigen Bauelementen nicht ohne weiteres erreichbar.Aus diesem : rund bedient man sich der automatischen Bereichsanpassung durch Umschaltungen von Widerständen und Wand leranzapfungen vor den elektronischen Bauelementen. Eine solche automatische Bereichsanpassunn ist Gegenstand des Patents Nr. 2042687, bei dem zur Erweiterung des Stromeßbereiches einer Multiplizierstufe entweder sekundäre Stromwandleranzapfungen geschaltet werden oder zur Anpassung der Eingangsspannung entsprechende Stromwandlerbürden geschaltet werden. All diese Maßnahmen haben den Nachteil, daß sie schaltungstechnisch aufwendig und daher relativ sehr teuer sind. So ist die Schaltung von Stromwandleranzapfungen mit elektronischen Bauelementen wegen der notwendigen Kurzschließung der sekundären Wicklung während der Umschaltung nicht unproblematische und störungsanfällig. Bei der Umschaltung von Bürdenwiderständen, die sehr genau abgeglichen sein müssen, kommen usätzlich Schalterwiderstände, die den Meßwert beeinträchtigen können. Die erfindungsgemäße Anordnung eines Analog-Frequenzwandlers vermeidet diese Nachteile. Es handelt sich um eine Schaltungsanordnung zur automatischen Anpassung von analogen Meßgrößen an den Arbeitsbereich elektronischer Bauelemente von Analog-Frequenzwandleranordnungen in dem Offsetspannungen und Driften im Verhältnis zum Nutzsignal noch vernachlässigbar klein sind, dadurch gekennzeichnet, daß das von einer Meßgröße abgeleitete Signal über Schalter periodisch auf die Intergrationsstufe (Filter) der Analog-Frequenzwandleranordnung geschaltet wird, wobei die Häufigkeit der Aufschaltungen von einer meßgrößenabhängingen Bereichswähler mit beispielweise vier Bereichsstufen der Stufung 1-2-4-8 und einer Schaltlogik mit wachsender Meßgröße herabgesetzt wird, die durch Z-fache Teilung der Frequenz eines Frequenzgenerators mittels einer vom Bereichswähler gesteuerten programmierten Teilerstufe entsteht, und die Ausaangsfrequenz der Analog-Frequenz wandlerstufe mittels einer weiteren vom Bereichswähler gesteuerten Teilerstufe geteilt wird, wobei die für die unterste Bereichsstufe gültige größtnotwendige Teilung N - d.h. bei vier Bereichsstufen beispielsweise N = 8 - proportional Z Meßgröße oder zu den Meßgrößen in entsprechenden vom Bereichswähler geschalteten Stufen auf die Teilung N/Z reduziert wird, wodurch das Verhältnis zwisch der Ausgangsfrequenz der Analog-Frequenzwandleranordnung und der bzw. den Meßgrößen unverändert bleibt.do it yourself depending on the measured variable. The need for adaptation occurs above all when measured quantities are still over a measuring range should be measured correctly, the working area of electronic components may exceed several times. So it is in the field of energy measurement desired, the electrical work still in a range of, for example, 1: 500 with a measurement uncertainty of less than 0.1 x based on the respective measured value capture. Because of the offset voltages and drifts at the input of amplifier circuits such areas are not easily accessible with relatively cheap components this: around one uses the automatic range adjustment by switching of resistors and Wand leranzapfungen in front of the electronic components. One such automatic range adjustment is the subject of patent no. 2042687 either secondary to the expansion of the current measuring range of a multiplier stage Current transformer taps can be switched or to adapt the input voltage corresponding current transformer burdens are switched. All of these measures have the Disadvantage that they are complex in terms of circuitry and therefore relatively very expensive. This is how current transformer taps are switched with electronic components because of the necessary short-circuiting of the secondary winding during the switchover not unproblematic and prone to failure. When switching over load resistances, which have to be adjusted very precisely, there are additional switch resistors that can affect the measured value. The inventive arrangement of an analog frequency converter avoids these disadvantages. It is about a Circuit arrangement for the automatic adaptation of analog measured variables to the work area of electronic Components of analog frequency converter arrangements in which offset voltages and drifts are still negligibly small in relation to the useful signal, characterized in that that the signal derived from a measured variable is periodically sent to the integration stage via switches (Filter) of the analog frequency converter arrangement is switched, the frequency the activation of a range selector dependent on the measured variable with, for example four range levels with levels 1-2-4-8 and a switching logic with increasing measured variable is reduced by dividing the frequency of a frequency generator Z times by means of a programmed divider level controlled by the range selector, and the output frequency of the analog frequency converter stage by means of another is divided by the range selector controlled divider stage, with the one for the lowest Area level The greatest necessary division N - i.e. with four area levels, for example N = 8 - proportional to Z measured variable or to the measured variables in corresponding from the range selector switched stages is reduced to the division N / Z, whereby the ratio between the output frequency of the analog frequency converter arrangement and the measured variable (s) remains unchanged.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung.Fig. 1 shows an embodiment of the arrangement according to the invention.

Mittels der Frequenz eines Generators 1 wird über eine steuerbare Teilerstufe 2 und die Schaltlogik 3 die an den Eingängen 4 liegenden Meßsignale + UE und - UE über die Schalter 5 wechselweise auf einen Filter 6 geschaltet. Das am Ausgang 7 vom Filter 6 vorhandene Gleichstromsignal UA wird dem Analog-Frequenzwandler zugeführt, dessen Ausgangsfrequenz im steuerbaren Teiler 9 auf die Ausgangsfrequenz fA geteilt wird. Der beispielsweise mit 4 Bereichsstufen ausgerüstete Bereichswähler 10, der mit einer entsprechenden Anzahl von Komparatoren ausgerüstet ist, erhält über den Eingang 11 ein der Meßgröße proportionales Hilfssignal UH und steuert entsprechend der Signalgröße UH die Teilerverhältnisse der Teilerstufen 2 und 9. Befindet sich die Eingangsgröße UE in der untersten Bereichsstufe mit dem Schwellwert UE1, so programmiert der Bereichswähler 10 den Teiler 2 auf das Teilerverhältnis 1" und den Teiler 9 auf das höchste erforderliche Teilerverhältnis 'N". Oberschreitet nun das Hilfssignal UH den Wert der ersten Komparatorschwelle bei UE = UEl, so wird die zweite Bereichsstufe von 10 eingeschaltet. In diesem alle programmiert der Bereichszähler den Teiler 2 auf das Teilerverhältnis 2" und den Teiler 9 auf das Teilerverhältnis "N/2". Die Größe UA am Ausgang es Filters 6 geht hierbei zwar auf den halben liert zurück und erreicht erst ei Anstieg der Eingangsgröße UE auf den Schwellwert UE2 ihren vorhergehenden ert, jedoch wird durch das Herabsetzen des Teilerverhältnisses am Teiler 9 er zweiten Bereichsstufe die Ausgangsfrequenz fA entsprechend verdoppelt, .s.f. Hierdurch bleibt das Verhältnis der Ausgangsfrequenz fA zur Meßgröße nabhängig von der geschalteten Bereichsstufe erhalten.Using the frequency of a generator 1, a controllable Divider stage 2 and the switching logic 3 the measurement signals applied to inputs 4 + UE and - UE switched alternately to a filter 6 via the switch 5. That The direct current signal UA present at the output 7 from the filter 6 is sent to the analog frequency converter fed, the output frequency in the controllable divider 9 to the output frequency fA is shared. The range selector equipped, for example, with 4 range levels 10, which is equipped with a corresponding number of comparators Via the input 11 an auxiliary signal UH proportional to the measured variable and controls accordingly of the signal variable UH the division ratios of the divider stages 2 and 9. Is located the input variable UE in the lowest range level with the threshold value UE1, see above the range selector 10 programs the divider 2 to the division ratio 1 "and the divider 9 to the highest required division ratio 'N ". Exceeds now the auxiliary signal UH the value of the first comparator threshold at UE = UEl, so the second range level of 10 switched on. In this all programmed the range counter divides the divider 2 to the divider ratio 2 "and the divider 9 the division ratio "N / 2". The variable UA at the output of the filter 6 is true here falls back to half and only reaches UE when the input variable rises the threshold value UE2 is set to its previous one, but the lowering of the division ratio at the divider 9 of the second range stage, the output frequency fA doubled accordingly, .s.f. This keeps the ratio of the output frequency fA for the measured variable n dependent on the range level switched.

35 herabsetzen der Ausgangsgröße UA beispielsweise auf den halben Wert, wird durch die Schaltlogik 3 bewirkt. Sie sorgt dafür, daß nun nur noch jedes erste, itte, fünfte u.s.f. Signal des Generators 1 die Schaltfolge an den Schaltern wie im Signallaufplan (Fig. 2) dargestellt, bestimmt. Der Signallaufplan zeigt erner das am Ausgang 7 des Filters 6 vorhandenen Gleichstromsignal UA. UA hat ei den Eingangssignalen UE = UE1, UE2, UE3 und UE4 stets den gleichen Betrag, h. UA = UA1 = UA2 = UA3 = UA4.35 reduce the output variable UA to half, for example Value is caused by switching logic 3. She makes sure that now only each first, middle, fifth, etc. Signal from generator 1 the switching sequence on the switches as shown in the signal flow diagram (Fig. 2). The signal schedule shows more the direct current signal UA present at the output 7 of the filter 6. UA has one of the input signals UE = UE1, UE2, UE3 and UE4 always the same amount, h. UA = UA1 = UA2 = UA3 = UA4.

Beispiel nach Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Anoerdnung nach Beispiel Fig. 1 it einem zusätzlichen Modulator ausgeführt. Das Beispiel ist theoretischer Natur Id soll an Hand des Signallaufplanes gemäß Fig. 4 das Verstehen der Funktion des chfolgenden Beispiels der Erfindung beim Time-Division Multiplikationsverfahren 1 eichtern.Example according to FIG. 3 is the arrangement according to the invention according to the example Fig. 1 executed with an additional modulator. The example is more theoretical Nature Id is intended to help understand the function on the basis of the signal flow diagram according to FIG. 4 of the following example of the invention in the time division multiplication method 1 calibrate.

ttels der Modulationsfrequenz eines Sägezahngenerators 21 wird über eine steuerre Teilerstufe 22 und die Schaltlogik 23 die an den Eingängen 24 liegenden Meßgnale + UE und - UE über die Schalter 25 wechselweise auf einen Modualtor 32 und gen Null geschaltet. Der Gleichstrommittelwert des am Ausgang vom Modulator 32 vorhandenen Rechteckssignals wird nach Siebung im Filter 26 ebenfalls einem Analogequenzwandler 28 zugeführt. dessen Ausgangsfrequenz im steuerbaren Teiler 29 f die Ausgangsfrequenz fA geteilt wird. Der beispielsweise, wie oben geschildert, t 4 Bereichsstufen ausgerüstete Bereichswähler 30, der mit einer entsprechenden zahl von Komparatoren ausgerüstet ist, erhält über den Eingang 31 ein der Meßöße proportionales Hilfssignal UH und steuert entsprechend der Signalgröße UH e Teilerverhältnisse der Teilerstufen 22 und 29. Befindet sich der Betrag der Eingangsgröße UE in der untersten Bereichsstufe mit dem Schwellwert UEl , so programmiert der Bereichswähler 30 den Teiler 22 auf das Teilerverhältnis "1" und den Teiler 29 auf das höchste erforderliche Teilerverhältnis "N". Oberschreitet nun das Hilfssignal UH den Wert der ersten Komparatorschwelle bei UE = UE1, so wird die zweite Bereichsstufe von 30 eingeschaltet. In diesem Falle programmiert der Bereichswähler den Teiler 22 auf das Teilverhältnis "2" und den Teiler 29 auf das Teilerverhältnis "N/2". Die Größe UA am Ausgang des Filters 26 geht hierbei zwar auf den halben Wert zurück und erreicht bei Anstieg der Eingangsgröße UE auf den Schwellwert U E2 ihren vorhergehenden Wert, jedoch wird durch das Herabsetzen des Teilerverhältnisses am Teiler 29 der zweiten Bereichsstufe die Ausgangsfrequenz fA entsprechend verdoppelt, u.s.f. Hierdurch bleibt das Verhältnis der Ausgangsfrequenz fA zur Meßgröße unabhängig von der geschalteten Bereichsstufe erhalten. ttels the modulation frequency of a sawtooth generator 21 is about a controlled divider stage 22 and the switching logic 23 which are located at the inputs 24 Measurement signals + UE and - UE via switches 25 alternately to a modulator 32 and switched to zero. The mean DC value of the output from the modulator 32 existing square-wave signal is also an analog frequency converter after sieving in the filter 26 28 supplied. whose output frequency in the controllable divider 29 f is the output frequency fA is shared. For example, as described above, t 4 range levels equipped Range selector 30 equipped with a corresponding number of comparators is, receives an auxiliary signal UH and proportional to the measured quantity via input 31 controls the divider ratios of the divider stages 22 in accordance with the signal variable UH e and 29. Is the amount the input variable UE in the lowest The range selector 30 programs the range level with the threshold value UEL Divider 22 to the division ratio "1" and the divider 29 to the highest required Divider ratio "N". If the auxiliary signal UH now exceeds the value of the first comparator threshold if UE = UE1, the second range level of 30 is switched on. In this case the range selector programs the divider 22 to the division ratio "2" and the Divider 29 to the division ratio "N / 2". The variable UA at the output of the filter 26 goes back to half the value and reaches when the input variable increases UE to the threshold value U E2 its previous value, but is reduced by reducing of the division ratio at divider 29 of the second range stage, the output frequency fA doubled accordingly, u.s.f. This keeps the ratio of the output frequency fA obtained for the measured variable regardless of the range level switched.

Das Herabsetzen der Ausgangsgröße UA beispielsweise auf den halben Wert, wird durch die Schaltlogik23 bewirkt. Sie sorgt dafür, daß nun nur noch jedes erste, dritte, fünfte u.s.f. Signal des Generators 21 moduliert und die Schaltfolge der Schalter 25 entsprechend der im Signallaufplan Fig. 4 mit * gekennzeichneten Signalen invertiert wird. Für jede zweite, vierte u.s.f. volle Schwingung wird über die Schalter 25 der Eingang des Modulators 32 auf Null geschaltet. Der Signallaufplan zeigt ferner die ai Ausgang des Modulators 30 vorhandenen Signale. Der Gleichstrommittelwert UA dieses Signals am Ausgang 27 des Filters 26 ist bei den Eingangssignalen UE = UEl, UE2, UE3 und UE4 ebenfalls stets UA = UAl = UA2 = UA3 = UA4.The reduction of the output variable UA to half, for example Value, is effected by the switching logic23. She makes sure that now only each first, third, fifth, etc. The signal from the generator 21 is modulated and the switching sequence the switch 25 corresponding to the one marked with * in the signal flow diagram of FIG Signals is inverted. For every second, fourth, etc. full vibration is over the switch 25 of the input of the modulator 32 is switched to zero. The signal schedule also shows the ai output of the modulator 30 signals present. The DC average UA of this signal at the output 27 of the filter 26 is UE = for the input signals UEl, UE2, UE3 and UE4 also always UA = UAl = UA2 = UA3 = UA4.

Im Beispiel Fig. 5 ist die erfindungsgemäße Anordnung einer automatischen Meßwertanpassung bei einem Time-Division-Multiplizierer gezeigt. Die Multiplikation der an den Eingängen 44 und 54 liegenden Signale x und y erfolgt hierbei zunächst in an sich bekannter Weise, indem mittels Dreiecksgenerator 41 und dem Modulator 52 ein dem Augenblickswert der Größe x entsprechendes Tastverhältnis erzeugt wird, das über eine Steuerstufe 56 die Durchschaltung der entsprechenden Augenblickswerte des zweiten Multiplikanten y über die Schalter 55 auf das Filter 46 veranlaßt, wobei der Gleichstrommittelwert des Signals am Ausgang 47 dieses Filters und die Ausgangsfrequenz des Analog-Frequenzwandlers 48 dem Produkt von x und y proportional sind. Die Schaltung besitzt erfindungsgemäß ferner Bauelemente für die automatische Meßwertanpassung an das Filter 46 und den Analog-Frequenzwandler 48. Es sind dieses im wesentlich die Teiler 42 und 49, die Schaltlogik 43, die Schalter 45 und der Bereichswähler 50, der von einer dem Signal x oder auch dem Signal y proportionalen Hilfsgröße UH beeinflußt wird. Die automatische Meßwertanpassung erfolgt hier analog den in den voran gehenden Beispielen gezeigten. Dabei wird beim Oberschreiten der vom Bereichswähler 5 vorgegebenen Bereichsgrenze (Schwellwert) durch eine Meßgröße (x oder y) - entsprechend dem programmierten Teilerverhältnis des Teilers 42 -die zeitliche Tastung des Signals x mittels der Schalter 45 um einen ganzzahligen Faktor, beispielsweise "2", herabgesetzt. Hierdurch wird auch das am Ausgang 47 des Filters 46 vorhandene Signal herabgesetzt (halbiert). Infolge gleichzeitiger Herabsetzung (Halbierung) des Teilerverhältnisses des programmierten Teilers 49 bleibt jedoch das Verhältnis der Ausgangsfrequenz A zur Meßgröße konstant. Ober die Schaltlogik 43 wird sichergestellt, daß die Tastung des Signals x beziehungsgerecht erfolgt, indem hier die notwendige Invertierung des modulierten Signals vorgenommen wird.In the example of FIG. 5, the arrangement according to the invention is an automatic one Measured value adjustment with a time division multiplier shown. The multiplication the signals x and y present at the inputs 44 and 54 are initially carried out in a manner known per se by means of triangular generator 41 and the modulator 52 a pulse duty factor corresponding to the instantaneous value of the variable x is generated, that via a control stage 56 the switching through of the corresponding instantaneous values of the second multiplicant y caused by the switch 55 on the filter 46, wherein the mean DC value of the signal at the output 47 of this filter and the output frequency of the analog-frequency converter 48 are proportional to the product of x and y. The circuit according to the invention also has components for the automatic measurement value adjustment to the filter 46 and the analog frequency converter 48. These are essentially the dividers 42 and 49, the switching logic 43, the switches 45 and the range selector 50, that of an auxiliary variable proportional to the signal x or also to the signal y UH is affected. The automatic measured value adjustment takes place here in the same way as in shown in the previous examples. When the range selector is exceeded, the 5 specified range limit (threshold value) by a measured variable (x or y) - according to the programmed division ratio of the divider 42 -the temporal sampling of the signal x by means of the switch 45 by an integer factor, for example "2", reduced. This also causes the output 47 of the filter 46 existing signal reduced (halved). As a result of simultaneous reduction However, (halving) the division ratio of the programmed divider 49 remains the ratio of the output frequency A to the measured variable is constant. About the switching logic 43 it is ensured that the keying of the signal x takes place in accordance with the relationship, by doing the necessary inversion of the modulated signal here.

Die Schalter 45 in Fig. 5 sind entbehrlich, wenn die Signale am Ausgang des Modulators 52 in einer Schaltlogik mit den Ausgangssignalen des Teilers 42 mit programmierten Inversionsvorschriften für die Schalter 55 logisch verknüpft werden.The switches 45 in FIG. 5 are unnecessary if the signals at the output of the modulator 52 in a switching logic with the output signals of the divider 42 programmed inversion rules for the switch 55 are logically linked.

Claims

Circuit arrangement of an analog frequency converter for measuring or converting measured values of one analog measured variable - or two analog ones Measured variables in product formation - with automatic adaptation of or one of the Measured variables on the working range of the electronic components of the analog frequency converter, in which offset voltages and drifts are still negligible in relation to the Mutz signal are small, characterized in that the signal derived from a measured variable periodically via switches to the integration stage (filter) of the analog frequency converter arrangement is switched, whereby the frequency of the connections depends on a measured variable Range selector with, for example, four range levels of 1-2-4-P and one Switching logic is reduced with increasing measured variable, which is done by Z-fold division the frequency of a frequency generator by means of one controlled by the range selector programmed divider stage and the output frequency of the analog frequency converter stage is divided by means of a further divider stage controlled by the range selector, where the greatest necessary division N valid for the lowest range level - i.e. with four range levels, for example, N = 8 - proportional to the measured variable or to the measured variables in the corresponding steps switched by the range selector on the division N / Z is reduced, thereby reducing the ratio between the output frequency of the analog frequency converter arrangement and the measured variable (s) remains unchanged.

Claim 2 Arrangement according to Claim 1 for an electronic multiplier according to the time division principle, characterized in that one of the two Variables to be multiplied derived signal after modulation with a sawtooth voltage in a quietly known per se proportional to the quasi instantaneous value of this quantity Duty cycle is converted, which is the switching through of one of the second measured variable derived signal to an analog frequency converter arrangement controls, wherein a auxiliary signal derived from one of the two measured variables via a range selector the frequency of the connection and thus the connection time in relation to the Measuring time as well as the corresponding division ratio of the divider, which the analog frequency converter downstream is determined.