DD149964A2

DD149964A2 - Strom/frequenz-wandler nach dem integrationsverfahren

Info

Publication number: DD149964A2
Application number: DD21319679A
Authority: DD
Inventors: Alfred Frommhold
Original assignee: Alfred Frommhold
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1979-05-29
Publication date: 1981-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strom/Frequenz-Wandler nach dem Integrationsverfahren mit Ladungskompensation durch den Verschiebungsstrom einer Kapazitaet gemaesz WP 137 150 und gehoert in das Gebiet der Analog/Digital-Wandler. Es ist das Ziel der Erfindung, zweckmaeszige Loesungswege und Ergaenzungen zum Hauptpatent anzugeben, wobei die Aufgaben insbesondere darin bestehen, den Strom/Frequenz-Wandler ohne Umschaltung fuer beide Polaritaeten verwendbar zu machen und den Offsetstrom zu kompensieren. Das Wesen der Erfindung geht aus Fig. 5 hervor und besteht darin,dasz auf den herkoemmlichen Integrator zwei Komparatoren, Impulsformer und Referenzstromquellen mit FET-Analogschalter folgen, davon je ein Komplex fuer positive und einer fuer negative Signale. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dasz zusaetzlich zu dem quantisierten Rueckfuehrstrom ein konstanter Strom geringer Staerke und mit solcher Polaritaet zurueckgefuehrt wird, dasz eine Kompensation des Offsetstromes eintritt. Die Erfindung kann bei der digitalen Messung kleiner Stroeme und bei der digitalen Messung nichtelektrischer Groeszen, die in einen Strom gewandelt sind, Verwendung finden.

Description

Strom/Frequenz-Wandler nach dem Integrationsverfahren

..der Erfindung;

Die Erfindung betrifft Strom/Frequenz-Wandler nach dem Integrationsverfahren, insbesondere zur Messung niedriger Stromstärken und kleiner Ladungen,, Strom/Frequenz-Wandler werden speziell zur digitalen Messung von Strömen und anderen Größen, die sich in einen Strom wandeln lassen, verwendet*

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Strom/Prequenz-Wandler nach dem Integrationsverfahren bestehen aus einem Integrator, vorzugsv/eise Miller-Integrator, und einer gegensinnig gepolten, intermittierenden Stromrückführung zum Knotenpunkt der Schaltung» Im WP 137 150 wurde ein solcher Wandler beschrieben, dessen Merkmal es ist, die Rückfuhrladung nicht - wie vordem üblich - über einen elektronischen Schalter in den Knotenpunkt der Schaltung zu leiten, sondern hierfür den Verschiebungsstrom eines hochisolierten Kondensators zu verwenden, der durch die stufenförmige Änderung einer Beferenz-Spannung hervorgerufen wird«

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Bekannte Strom/Frequenz-Wandler verwenden z.B. als elektronischen Schalter für die Quantisierung der Rückführladung einen bipolaren Transistor in inverser Betriebsweise. Dadurch entsteht der Wachteil, daß mit diesem Wandler nur Ströme einer bestimmten" Polarität umgesetzt werden können. Eine andere Lösung arbeitet mit einer treppenförmig ansteigenden Spannung, die als Referenzspannung eines auf den Integrator folgenden !Comparators wirkt. Diese Lösung hat den Nachteil, daß der Integrator nicht nach jedem Impuls zurückgestellt wird, sondern erst nach soviel Impulsen, wie die gesamte Spannungstreppe bis zum Erreichen ihres Höchstwertes benötigt. Dadurch entsteht am Integrator eine relativ hohe Ausgangsspannung, und es wird eine längere Haltezeit bei erhöhten Anforderungen an die Isolation des Eingangskreises erforderlich. Auch diese bekannte Lösung arbeitet mit einem elektronischen Schalter im Rückführkreis.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, den Gedanken des Hauptpatentes weiterzuführen und Wege anzugeben, welche zu besonders günstigen Varianten und zu zweckmäßigen Ergänzungen des im Hauptpatent angegebenen Strom/Frequenz-Wandlers führen.

Darlegung des Wesens der Erfindung♦

Die technische Aufgabe besteht darin, den im Hauptpatent beschriebenen Strom/Frequenz-Wandler so zu erweitern, daß damit Ströme verschiedener Polarität ohne Umschaltung gemessen werden können und daß Mittel vorgesehen werden, die eine Korrektur der Drift und des Offsetstromes gestatten.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, daß ein Strom/Frequenz-Wandler nach dem Integrierverfahren gemäß·

Hauptpatent mit einer Anordnung zur Erzeugung der Rückführladung, bestehend aus einem nicht freilaufenden Treppenspannungsgenerator und einem zwischen dessen Ausgang und dem Eingang des Integrators befindlichen Differenzierkondensator dadurch zur Messung von Strömen beiderlei Vorzeichens nutzbar gemacht wird, daß.auf den Integrator zwei auf verschieden gepolte Signale reagierende Komparatoren folgen, welche je nach Polung des Eingangsstromes ein Ansteigen oder Abfallen der Treppenspannung und damit eine bestimmte Polung des quantisierten Vsrschie-' bungsstromes durch den Differenzierkondensator bewirken, dergestalt, daß der Integrator wieder in den Ausgangszustand zurückgestellt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Impulse der beiden Komparatoren einem Vorwärts/Rückwärts-Zahler so zugeführt, daß der Zähler bei einer Polarität vorwärts, bei der anderen rückwärts zählt und somit die Differenz der in einer bestimmten Zeit zugeflossenen Ladungen anzeigt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Impulse der Komparatoren zwei separaten Zählern zugeführt werden, welche die· zugeflossenen Ladungen beider Polaritäten getrennt anzeigen. ^:

Schließlich werden in einer anderen Variante der Erfindung die Impulse beider Komparatoren einem Frequenzmesser zugeführt und die Polarität des Eingangsstromes durch andere bekannte Mittel zur Anzeige gebracht. Der Frequenzmesser wird in Einheiten des zufließenden Eingangsstromes geeicht, die sich aus dem Konversionsfaktor des Wandlers ergeben.

Das zweite Hauptmerkmal der Erfindung betrifft den schon im Hauptpatent erwähnten Treppenspannungsgenerator, der in einer Ausführung als zweiter Integrator durch einen im-

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pulsgesteuerten Schalter mit konstanten Ladungsquanten beaufschlagt wird. Erfindungsgemäß wird diesem Integrator neben den rückzuführenden Ladungsquanten über einen vorgespannten Hochohmwiderstand oder eine andere Stromquelle ein Strom zugeführt, der den Spannungsstufen eine kontinuierlich verlaufende Spannungskomponente derart hinzufügt, daß. eine Drift durch den Offsetstrom kompensiert wird.

Au'sführungsbeispiele

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Das Wesen der Erfindung wird durch die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Pig. 1: Das Prinzip des Strom/Frequenz-Wandlers gemäß Hauptpatent

Fig. 2: Das Prinzip des Strom/Frequenz-7/andlers mit zweitem Integrator zur Bildung der Treppenspannung

Fig. 3: Der Verlauf der Spannungen an den gekennzeichneten Punkten

Fig. 4: Der Verlauf der Treppenspannung bei veränderlichem Eingangsstrom

Fig. 5: Der Strom/Frequenz-Wandler zur Messung von Strömen beiderlei Vorzeichens

Fig. 6: Der Strom-Frequenz-Wandler nach Fig. 2 mit Feldeffekt-Transistoren als Rücksetzschalter

Fig. 7: Der zweite Integrator, ergänzt durch eine Anordnung zur Driftkorrektur bzw. zur Kompensation des Offsetstromes

Fig. 1.zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Strom/ Frequenz-Wandlers: Auf den aus dem Verstärker A1 und dem Integrationskondensator C1 bestehenden Integrator folgt ein Komparator, auf diesen ein Impulszähler CT, der einen

Digital/Analog-Wandler D/A steuert. Der Ausgang des D/A-Wandlers führt zur Ausgangsklemme, an der mit bekannten Mitteln die Frequenz, der Impulse gemessen oder die Summe der Impulse in einer bestimmten Zeit ermittelt werden kann. Der Ausgang des D/A-Wandlers ist aber zugleich über den Differenzierkondensator C2 mit dem Eingang des Integrators verbunden.

Fließt ein Strom in den Eingang, so entsteht durch Aufladung von C1 am Ausgang des Integrators die Anstiegsflanke einer Sägezahnspannung UI. Wird die Ansprechschwelle des Komparators erreicht, gibt dieser einen Impuls an den Zähler CT, dieser schaltet die Spannung des D/A-Wandlers U2 um eine Stufe höher. Die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers besitzt die entgegengesetzte Polarität des Eingangsstromes. Der Spannungssprung ergibt somit eine gegensinnige Rückführladung U2.«C2, deren Betrag der Eingangsladung i_ . t = U1 . C1 entspricht und den Integrator auf Null setzt. Die Zahl der SpannungsSprünge (Stufen der Spannungstreppe am D/A-Wandler) ist proportional der in einer bestimmten Zeit zugeflossenen Gesamtladung, und die Frequenzen f1 und f2 der an C3 abzunehmenden Impulse U3 sind proportional dem Eingangsstrom i_e.

In Fig. 2 wird der gleiche Effekt, jedoch mit einem anderen Prinzip der Treppenspannungserzeugung erzielt.· Auf den Komparator folgt ein Monovibrator S, der jeweils nach dem Kippen des Komparators einen Rechteckimpuls stets gleicher Dauer und Amplitude erzeugt. Dieser Impuls schaltet den im Ruhezustand gesperrten FET-Analogschalter V1 über eine definierte kurze Zeit auf Durchgang. Während dieser Zeit fließt aus der Referenzspannungsquelle Uf über R1 ein Strom der gleichen Polarität wie der Eingangsstrom in den zweiten .Integrator A2/C4, dessen Ausgangsspannung nunmehr zum Eingangsstrom gegensinnig gepolt um eine Stufe ansteigt. Dadurch wird ebenfalls die Ladungskompensation im ersten Integrator wie in.Fig« 1 erreicht.

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In Fig. 3 sind die Spannungsverläufe schematisch, dargestellt, die an den bestimmten Punkten der Schaltung bei konstantem Eingangestrom entstehen. In Pig. 4 ist der Verlauf der Treppenspannung gezeigt, wenn sich während eines Anstiegs von U2 die Stärke des Eingangsstromes ändert. Der Strom 11 ist schwach, 12 = O₅ und 13 ist stärker als 11 .

Pig, 5 zeigt die Schaltung des Strom/Frequenz-Wandlers nach Pig. 2 für Eingangsströme in beiden Polaritäten. Der Komparator, der Monovibrator und der PET-Analogschalter sind zweimal vorhanden, wobei V1 und V2 die Referenzströme über R1 oder R2 in verschiedener Polung zugeführt bekommen. Die Ausgangsimpulse der Monovibratoren werden einem Yor-/Rückwärts-Zähler und zusätzlich einem Impulsdichtemesser mit Analoganzeige zugeführt.

In den gezeigten Beispielen wurden Maßnahmen und Mittel zum Rücksetzen des Treppengenerators und zum Schützen des Integrators A1/C1 vor dem Rückimpuls über den Kondensator C2 nicht dargestellt. Pig. 6 zeigt ein Beispiel zur Lösung dieser Aufgabe. Aus Fig. 2 sind nur die beiden Integratoren mit dem Differenzierkondensator C2 dargestellt. Zur Erzielung einer besseren Übersicht wurden der Komparator, der Monovibrator sowie Rückstrom-FET-Schalter Y und die Referenzstromquelle weggelassen. In Fig. 6 sind K1 und K2 Komparatoren, die auf verschiedene Polarität der Ausgangsspannung des Integrators A2/C4 ansprechen, sobald dieser seine Aussteuergrenze erreicht hat. Über ein ODER-Gatter wird der Monovibrator S angesteuert, dessen negatives Rechtecksignal sofort die FET-Schalter V4 und V5 auf Durchgang schaltet und V6 sperrt. Damit wird der Integrator A1/C1 an der Aufnahme eines Signals gehindert und C1 entladen. Mit der Verzögerung R3 · C5 wird dann V3 auf Durchgang gestellt und der Integrator A2/C4 entladen, also die Treppenspannung auf

Null gestellt. Der starke Rückimpuls über den Differenzierkondensator C2 wird über V 4 und V5 abgeleitet. Ist der Rechteckimpuls von S beendet, so wird die Gatespannung an V3 sofort Null, weil durch die Wirkung der Diode D1 der Kondensator C5 keine Verzögerung herbeiführen kann. C5 entladet sich über R4. Dagegen wird durch die Diode D2 ein sofortiger Abfluß der Ladung von C6 verhindert und damit die Freigabe des Integrators A1/C1 verzögert. C6 entladet sich über R5.

In Fig. 7 ist ein Ausschnitt aus Pig. 5 dargestellt und durch ein Potentiometer R6 mit linearer Charakteristik und einen Hochohmwiderstand R7 ergänzt. Befindet sich das Potentiometer in Mittelstellung, so ist die Spannung an R7 Null. R β und R7 nehmen keinen Einfluß auf die zu Pig. 5 erläuterte Punktion. Gibt der Strom/Frequenz-Wandler infolge eines Offsetstromes trotz fehlender Zuführung eines Stromes von außen Impulse ab, so kann durch Einstellen einer Spannung entsprechender Polarität und damit eines Gegenstromes mittels R6 dieser Fehler kompensiert werden.

Claims

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Brfindungsanspruch

Strom/Frequenz-Wandler nach dem Integrationsverfahren mit Ladungskompensation durch den Verschiebungsstrom einer Kapazität nach WP 137 150, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Integrator (A1/C1) je ein Komparator für positive und negative Signale folgt, daß diese Eomparatoren über Impulsformer mit je einem Schalter verbunden sind, der eine positive oder negative Beferenzstroniquelle jeweils kurzzeitig mit dem Eingang eines zweiten Integrators (A2/C4) verbindet, dessen Ausgang über einen Differenzierkondensator (C2) mit dem Eingang des ersten Integrators verbunden ist.

Strom/Prequenz-Wandler gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator zur Erzeugung der Treppenspannung (A2/C4) außer dem quantisierten Rückführstrom ein von Hand oder automatisch eingestellter konstanter Strom zugeführt wird, mit einer Stärke und Polarität, welche die Kompensation des Offsetstromes des Strom/Frequenz-Wandlers herbeiführt.

Hierzu__^___Seiten Zeichnungen