CH669464A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Schaltung zur Umwandlung einer Spannung in eine Frequenz, mit einem Eingangskreis (14) zum Empfang eines Eingangssignals zur Abgabe von zwei Gleichspannungssignalen (en, ep) mit gleichen, absoluten Werten und entgegengesetzten Polaritäten, mit einem Integrator (17), in dem ein Kondensator (19) mit einem negativen Rückkopplungskreis eines Operationsverstärkers (18) verbunden ist und dessen Eingang abwechslungsweise die Gleichspannungssignale (en, ep) durch einen invertierenden Eingangskreis (15) zur Integration auf einen vorbestimmten oberen (+Vr) und unteren Grenzwert (—Vr) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangskreis (20) zur Abgabe eines Rechteckwellensignals (a) vorhanden ist, das jedesmal, wenn ein Ausgangssignal des Integrators (17) den oberen (+Vr) oder unteren Grenzwert (—Vr) erreicht, invertiert wird, dass ein Vorkopplungs-Speisekreis (41) mit einem Eingangsteil (25) eines Ausgangskreises (20), jedoch nicht mit demjenigen zum Empfang des Ausgangssignals des Integrators (17) verbunden ist, und — unter den Signalen vom Eingangskreis (14) — das Gleichspannungssignal (en, ep) mit entgegengesetzer Polarität zum Gleichspannungssignal (en, ep) des Ausgangskreises (20) durch den Integrator (17) empfängt, dass ein Spannungsteilerkreis den Speisekreis (41) einschliesst, der das Gleichspannungssignal des Ausgangskreises (20) derart addiert und dividert, dass die Linea-rität der Ausgangsfrequenz (f) zur Eingangsspannung (Vt) bestehen bleibt, und dass die entstandene Spannung dem Ausgangskreis (20) zuführbar ist, wobei der invertierende Eingangskreis (15) vom Rechteckwellensignal (a) angetrieben ist.

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Umwandlung einer Spannung in eine Frequenz. Derartige Schaltungen oder Wandler werden insbesondere in elektronischen Wattmetern verwendet.

In einem elektronischen Wattmeter werden die Lastspannung und der verbrauchte Strom mittels einer Multiplikatoreinheit multipliziert, um ein Spannungssignal zu erzeugen, das zur momentanen Leistung proportional ist. Das Spannungssignal wird einem Stromkreis zur Umwandlung einer Spannung in eine Frequenz zur Herstellung von Rechteckwellensignalen zugeführt, deren Frequenzen zu einem Spannungssignal oder zur momentanen Leistung proportional sind. Die Rechteckwellensignale werden von einem Zählerkreis zur Berechnung der elektrischen Energie gezählt, die integriert und von einem Anzeigegerät angezeigt wird.

Hier ist es zur Erhöhung der Genauigkeit eines Wattmeters notwendig, eine Schaltung zur Umwandlung einer Spannung in eine Frequenz zu verwenden, wobei diese Schaltung eine Ausgangsfrequenz haben muss, die linear zur Eingangsspannung in einem sehr weiten Spannungsbereich von mehreren mV bis zu mehrereren 10V verläuft.

Bei dieser Art von Schaltungen entsteht aber eine Fehlerfunktion infolge der Betriebsverzögerungen von Schaltungselementen im Hochfrequenzbereich, so dass die Linearität verloren geht. Die Gründe hiefür werden im ersten Teil der Spezialbeschreibung erläutert, in dem der Stand der Technik detailliert beschrieben wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltung zur Umwandlung einer Spannung in eine Frequenz, welche die in bestehenden Ausführungen vorhandenen Nachteile nicht aufweist und insbesondere eine höhere Messgenauigkeit ermöglicht, wenn die Schaltung in einem Wattmeter verwendet wird.

Ferner soll die zu schaffende Schaltung die Umwandlung einer Spannung in eine Frequenz ermöglichen und dabei die Linearität der Ausgangsfrequenz zu einer Eingangsspannung mit einfachen Mitteln gewährleisten.

Diese Aufgabe ist mittels der Merkmale im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches gelöst.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungs-gemässen Schaltung anhand der Zeichnung und unter Bezugnahme auf bisherige Ausführungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Stromkreises zur Umwandlung einer Spannung in eine Frequenz gemäss einer bestehenden Ausführungsform,

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Signalwellenform zur Erläuterung der Ausführung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild ähnlich Fig. 1, jedoch gemäss der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 2, jedoch gemäss der vorliegenden Ausführung.

In Fig. 1 sind zwei Klemmen 10 gezeigt, welchen das Eingangsspannung-Signal von einem Multiplikator zugeführt wird, das zur momentanen Leistung proportional ist. Dieses Signal wird von einem Eingangskreis 14 in zwei Gleichspannungssignale ep und en aufgeteilt, deren absolute Werte gleich sind, die aber entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Der Eingangskreis

14 ist aus einem Operationsverstärker 11 und zwei Widerständen 12 und 13 zusammengesetzt. Ein invertierender Schaltkreis

15 besteht aus einem analogen Schalter und einem Widerstand 16. Ein Integrator 17 ist derart ausgebildet, dass ein Kondensator 19 mit dem negativen Rückkopplungskreis eines Operationsverstärkers 18 verbunden ist. Ein Ausgangskreis 20 besteht aus einem Operationsverstärker 21 und zwei Widerständen 22 und 23 und bilden einen Hysteresisvergleicher. Der Ausgangskreis 20 erzeugt an seinem Ausgang ein Rechteckwellensignal a — (B) in Fig. 2 —, das jedesmal dann invertiert wird, wenn die Ausgangsspannung E0 des Integrators 17 einen vorbestimmten oberen + Vr oder unteren Grenzwert —Vr erreicht, wie dies in (A) in Fig. 2 gezeigt ist. Das Rechteckwellensignal a wird ferner als Signal zum Antrieb des invertierenden Schaltkreis 15 verwendet.

In der Folge wird der Betrieb der obigen Schaltung näher erläutert. Wenn die invertierende Schaltung 15 in dem in Fig. 1 gezeigten Betriebszustand befindet, wird das Gleichspannungssignal ep an einen Minus-Eingangsteil 24 des Integrators 17 angelegt und der Kondensator 19 wird geladen. In der Weise wird ein Integral gebildet, wobei die Ausgangsspannung E0 des Integrators 17 nach rechts schräg nach unten verläuft, wie dies durch die gerade Linie L2 in (A) in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn die Ausgangsspannung E0 den unteren, vorbestimmten Grenzwert —Vr erreicht hat, wird das Rechteckwellensignal a, das vom Hysteresisvergleicher 20 abgegeben wird, logischer Pegel «0», wie dies in (B) in Fig. 2 gezeigt ist. Dieses Rechteckwellensignal a betätigt den invertierenden Schaltkreis 15, so dass er invertiert wird, wobei das Gleichspannungssignal en zum Minuseingang 24 des Integrators 17 gebracht wird. Infolgedessen werden Ladungen im Kondensator 19 entladen, und die Ausgangsspannung E0 des Integratorkreises 17 steigt, wie dies durch die nach rechts ansteigende Gerade Li in (A) in Fig. 2 gezeigt wird. Wenn diese Ausgangsspannung E0 den vorbestimmten, oberen Grenzwert + Vr erreicht hat, ist das Rechteckwellensignal a vom Hysteresisvergleicher 20 in Fig. 2 der logische Pegel «1», der in (B) in Fig. 2 gezeigt ist. Dann wird der invertierende Schaltkreis 15 betätigt und in den Originalzustand durch dieses Rechteckwellensignal a zurückinvertiert.

Die dadurch erhaltene Integralspannung E0 in (A) in Fig. 2 hat aber einen steileren Gradienten, weil das Eingangsspannungssignal e in Fig. 2 kürzer wird. Weil diese Periode T zur Periode des Rechteckwellensignals a in (B) in Fig. 2 identisch ist, ist die Frequenz des Rechteckwellensignals a theoretisch proportional zur Stärke des Eingangsspannungssignals e.

In der Tat bestehen sogenannte Verzögerungen der Stromkreiselemente, wie z.B. die Verzögerung zwischen dem Ein- und dem Ausgang des Hysteresisvergleichers 20 in Fig. 1, und die

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10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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Wechselzeit des invertierenden Schaltkreises 15, so dass ein Überschlag Er und ein Unterschwung Er gemäss (A) in Fig. 2 entsteht. Infolgedessen wird die Periode T der integralen Spannung E0 länger als der wahre Wert T0 um 4td. Deshalb geht das vorgenannte Verhältnis zwischen dem Eingangsspannungssignal e und der Frequenz des Rechteckwellensignals a und somit die Linearität verloren. Dies wird in der Folge anhand von mathematischen Gleichungen näher erläutert:

Wenn ein Widerstand 19 den Wert R3 und der Kondensator 19 den Wert C hat, wird beim Überschlag die folgende Ladungsmenge gespeichert:

Er. C =_!^ . td R3

• -Er =

ep

CRj td

(1)

Deshalb beträgt die Ladungsmenge in der Periode T: ep

RB

. T = C . (-4 Vr -4 Er)

= 4 C (-VR -

ep

CRb

• td)

ep

Rb

_ • 4 C (—VR ep C R3

• td)

Die Frequenz beträgt: 1

ep

4 C R3 (-Vr -

ep

CR3

. td)

(2)

Bei td = 0 ist, wenn kein Ueberschlag f =

ep

4 C R3

und ist proportional zur

Spannung ep (= e). Bei td=£ 0 ist dagegen das genannte proportionale Verhältnis nicht vorhanden.

In Fig. 3 ist ein Beispiel einer Schaltung oder eines Umformers einer Spannung in eine Frequenz gemäss der Erfindung dargestellt. Ein Eingangsstromkreis 14, ein invertierender Schaltkreis 15 und ein Integrator sind dieselben, wie diejenigen, die in Fig. 1 gezeigt sind, weshalb sie hier nicht näher beschrieben werden. Ein kennzeichnendes Merkmal dieser Erfindung besteht darin, dass der Widerstand 40 den invertierenden Schaltkreis 15 und einen Ausgangskreis 20 verbindet, wodurch ein Hysteresisvergleicher kontruiert wird, um einen Vorwärts-Speisekreis 41 zu bilden, der zusammen mit Widerständen 22 und 23 im Ausgangskreis 20 einen Spannungsteilerkreis bildet.

Der Speisekreis 41 besteht aus dem Widerstand 40 und ist mit dem invertierenden Schaltkreis 15 und dem Plus-Eingangsteil 25 des Operationsverstärkers 21 zum abwechlungsweisen Empfang der Gleichspannungssignale en und ep, bzw. der Signale + /-Er, so dass die Linearität der Ausgangsfrequenz f zum Eingangsspannungssignal e gehalten werden kann. Dies wird nachfolgend mathematisch begründet.

Wenn die Widerstände 22 und 23 die Werte R4 und R5 und derjenige 40 des Speisekreises 41 den Wert Rö, und ferner der Eingangsteil 25 des Operationsverstärkers 21 die Spannung Vt aufweist, und dieser die Schwellenspannung des Ausgangskreises 20 bestimmt, so hat diese Spannung unter derjenigen Bedingung, bei der das Gleichspannungssignal ep vom invertierenden Schaltkreis 15 gewählt wird, den folgenden Wert:

Vt =

5 vt

R5//R4

Rö + Rs / / R4

ep -

Re // r5

R4 + RÖ / / R5

(3)

Substitution von Vt der Gl. (3) in -Vr von Gl. (2) ergibt:

10

f

1

¥

ep

4TR,( -R«//R* R*/R< m. eP .M

R4 Rö / / R5

Rö + R5 // R4 C R3

(4)

Die Wahl von R4, Rs und Rö ergibt:

td Rs // R4

C R3 RÖ + Rs // R4

30

T

, so dass:

ep

4 C Ri ( R6//Rs Es) R4 4- Rö / / Rs

(5)

35 und die Ausgangsfrequenz f kann zur Eingangsspannung ep (=e) proportional gehalten werden. Dies bedeutet, dass das Verhältnis zwischen den beiden die Linearität begründen kann. Dies geht deutlich daraus hervor, dass die Periode T mit der tatsächlichen Periode T0 übereinstimmt, wie dies in Fig. 4 dar-4o gestellt ist.

Wenn der Umformerstromkreis für eine Spannung in eine Frequenz, dessen Linearität diesbezüglich gut ist, einem Wattmeter der elektronischer Art zugeführt wird, wird die Genauigkeit des Wattmeters erhöht.

45 Wie bereits in der Beschreibung erwähnt, wird ein Vorwärts-Speisekreis benutzt, der aus einem Widerstand besteht und einen Teil des Spannungsteilerkreises zwischen einem invertierenden Schaltkreis und einem Ausgangskreis bildet. Somit kann die Linearität einer Ausgangsfrequenz zu einer Eingangsspan-50 nung sogar bei einer Verzögerung der Stromkreiselemente zuverlässig eingehalten werden. Da ferner der Vorwärts-Speise-kreis vom Widerstand gebildet wird, wird er nicht von der Kompliziertheit der ganzen Anordnung belastet, so dass der Leistungsbedarf reduziert werden kann. Insbesondere in einer 55 Anordnung, in der die Spannung des durch den invertierenden Stromkreis empfangenen Gleichspannungssignals aufgeteilt und dann einem Integrator zugeführt wird, besteht der Vorteil, dass der Einfluss der Eingangs-Verlagerungsspannung eines Operationsverstärkers, der den Integrator bildet, sehr niedrig ist, so 60 dass eine Schaltung zur Umwandlung einer Spannung in eine Frequenz mit hoher Genauigkeit geschaffen wurde.

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1 Blatt Zeichnungen