DD149964A2

DD149964A2 - ELECTRICITY / FREQUENCY CONVERTER AFTER THE INTEGRATION PROCESS

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.The invention relates to a current / frequency converter according to the integration method with charge compensation by the displacement current of a capacity made WP 137 150 and heard in the field of analog / digital converters. It is the object of the invention to provide zweckmaeszige solution paths and supplements to the main patent, the tasks are in particular to make the current / frequency converter without switching for both polarities usable and to compensate for the offset current. The essence of the invention is evident from Fig. 5 and is that the conventional integrator is followed by two comparators, pulse shapers and reference current sources with FET analogue switches, one complex each for positive and one for negative signals. A further feature of the invention is that, in addition to the quantized feedback current, a constant current of low power and with such polarity is introduced that compensation of the offset current occurs. The invention can be used in the digital measurement of small currents and in the digital measurement of non-electrical quantities converted into a current.

Description

Strom/Frequenz-Wandler nach dem IntegrationsverfahrenCurrent / frequency converter according to the integration method

..der Erfindung;..the invention;

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*The invention relates to current / frequency converters according to the integration method, in particular for the measurement of low currents and small charges ,, current / frequency converters are used specifically for the digital measurement of currents and other variables that can be converted into a current *

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Characteristic of the known technical solutions

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«Integral current / frequency converters consist of an integrator, preferably a Miller integrator, and an oppositely poled, intermittent current feedback to the junction of the circuit. In WP 137 150, such a converter has been described, the characteristic of which is not the return charge - as previously customary - to conduct via an electronic switch in the junction of the circuit, but to use for this purpose the displacement current of a highly insulated capacitor, which is caused by the stepwise change of a Beferenz voltage «

21 319621 3196

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.Known current / frequency converters use e.g. as an electronic switch for the quantization of the feedback charge a bipolar transistor in inverse operation. As a result, the wax part is formed, so that only currents of a certain polarity can be converted with this converter A different solution operates with a voltage rising in steps, which acts as the reference voltage of a comparator following the integrator It does not reset after each pulse, but only after as many pulses as the entire voltage path takes to reach its maximum value, which results in a relatively high output voltage at the integrator and requires a longer hold time with increased input circuit isolation requirements This known solution works with an electronic switch in the feedback loop.

Object of the invention

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.It is the object of the invention to continue the idea of the main patent and to provide ways that lead to particularly favorable variants and to appropriate additions of the current / frequency converter specified in the main patent.

Darlegung des Wesens der Erfindung♦ Explanation of the essence of the invention ♦

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.The technical object is to extend the current / frequency converter described in the main patent so that currents of different polarity can be measured without switching and that means are provided which allow a correction of the drift and the offset current.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, daß ein Strom/Frequenz-Wandler nach dem Integrierverfahren gemäß·A main feature of the invention is that a current / frequency converter according to the integration method according to

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.Main patent with an arrangement for generating the return charge, consisting of a non-free-running staircase voltage generator and located between the output and the input of the integrator Differenzierkondensator thereby made available for measuring currents bothlei sign, dass.auf the integrator two responding to different polarized signals comparators follow, which cause depending on the polarity of the input current an increase or decrease in the staircase voltage and thus a certain polarity of the quantized Vsrschie- 'bungsstromes by differentiating capacitor, such that the integrator is returned to the initial state.

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.According to a further feature of the invention, the pulses of the two comparators are fed to an up / down counter so that the counter counts forward in one polarity, counts backwards in the other, and thus indicates the difference in the charges that have flowed in a given time.

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. ^: A further feature of the invention is that the pulses of the comparators are fed to two separate counters, which indicate separately the charges of both polarities which have been introduced. ^:

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.Finally, in another variant of the invention, the pulses of both comparators are fed to a frequency meter and the polarity of the input current is displayed by other known means. The frequency meter is calibrated in units of the incoming input current resulting from the conversion factor of the converter.

Das zweite Hauptmerkmal der Erfindung betrifft den schon im Hauptpatent erwähnten Treppenspannungsgenerator, der in einer Ausführung als zweiter Integrator durch einen im-The second main feature of the invention relates to the staircase voltage generator already mentioned in the main patent, which in one embodiment as a second integrator is characterized by an imposing

- 4- 213196- 4- 213196

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.pulse-controlled switch with constant charge quanta is applied. According to the invention, a current is supplied to this integrator in addition to the charge quanta to be returned via a biased high-ohmic resistance or another current source, which adds a continuously extending voltage component to the voltage stages in such a way that. a drift is compensated by the offset current.

Au'sführungsbeispiele

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Das Wesen der Erfindung wird durch die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:The essence of the invention is explained in more detail by the exemplary embodiments illustrated in the drawings:

Pig. 1: Das Prinzip des Strom/Frequenz-Wandlers gemäß HauptpatentPig. 1: The principle of the current / frequency converter according to the main patent

Fig. 2: Das Prinzip des Strom/Frequenz-7/andlers mit zweitem Integrator zur Bildung der TreppenspannungFig. 2: The principle of the current / frequency 7 / andlers with second integrator to form the staircase voltage

Fig. 3: Der Verlauf der Spannungen an den gekennzeichneten PunktenFig. 3: The course of the voltages at the marked points

Fig. 4: Der Verlauf der Treppenspannung bei veränderlichem EingangsstromFig. 4: The course of the staircase voltage with variable input current

Fig. 5: Der Strom/Frequenz-Wandler zur Messung von Strömen beiderlei VorzeichensFig. 5: The current / frequency converter for measuring currents of both signs

Fig. 6: Der Strom-Frequenz-Wandler nach Fig. 2 mit Feldeffekt-Transistoren als RücksetzschalterFig. 6: The current-frequency converter of Fig. 2 with field effect transistors as a reset switch

Fig. 7: Der zweite Integrator, ergänzt durch eine Anordnung zur Driftkorrektur bzw. zur Kompensation des OffsetstromesFIG. 7: The second integrator, supplemented by an arrangement for drift correction or for compensation of the offset current

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 einenFig. 1. shows the principle of the current / frequency converter according to the invention: The integrator consisting of the amplifier A1 and the integration capacitor C1 is followed by a comparator, on this a pulse counter CT, the one

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.Digital / analog converter D / A controls. The output of the D / A converter leads to the output terminal, at which by known means the frequency, the pulses can be measured or the sum of the pulses in a certain time can be determined. The output of the D / A converter is also connected via the differentiating capacitor C2 to the input of the integrator.

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.If a current flows into the input, charging of C1 at the output of the integrator results in the rising edge of a sawtooth voltage UI. When the threshold of the comparator is reached, it gives a pulse to the counter CT, which switches the voltage of the D / A converter U2 one step higher. The output voltage of the D / A converter has the opposite polarity of the input current. The voltage jump thus results in an opposite feedback charge U2. "C2, the amount of the input charge i_. t = U1. C1 equals and sets the integrator to zero. The number of voltage jumps (stages of the voltage step on the D / A converter) is proportional to the total charge received in a certain time, and the frequencies f1 and f2 of the pulses U3 to be taken at C3 are proportional to the input current 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.2, the same effect is achieved, but with a different principle of staircase voltage generation. The comparator is followed by a monovibrator S, which generates a square pulse of the same duration and amplitude after each tilting of the comparator. This pulse switches the normally-off FET analog switch V1 to open for a defined short time. During this time flows from the reference voltage source Uf via R1, a current of the same polarity as the input current in the second .Integrator A2 / C4, whose output voltage now increases in poled opposition to the input current by one stage. This also achieves charge compensation in the first integrator, such as in.Fig «1.

- β- 2131 96 - β-2131 96

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 .In Fig. 3, the voltage waveforms are shown schematically, which arise at the specific points of the circuit at a constant input current. In Pig. 4, the progression of the staircase voltage is shown when the magnitude of the input current changes during a rise of U2. The current 11 is weak, 12 = O ₅ and 13 is stronger than 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.Pig, 5 shows the circuit of the current / frequency converter to Pig. 2 for input currents in both polarities. The comparator, monovibrator and PET analog switch are present twice, with V1 and V2 receiving the reference currents through R1 or R2 in different polarities. The output pulses of the monovibrators are fed to a YOR / REV counter and additionally to a pulse density meter with analog display.

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 aufIn the examples shown, measures and means for resetting the staircase generator and protecting the integrator A1 / C1 from the return pulse via the capacitor C2 were not shown. Pig. Fig. 6 shows an example for solving this problem. From Fig. 2, only the two integrators are shown with the differentiating capacitor C2. For the sake of clarity, the comparator, monovibrator, and reverse current FET switch Y and the reference current source have been omitted. In Fig. 6, K1 and K2 are comparators responsive to different polarity of the output voltage of the integrator A2 / C4 as soon as it has reached its drive limit. An OR gate is used to drive the monovibrator S whose negative square-wave signal immediately switches the FET switches V4 and V5 to pass and blocks V6. Thus, the integrator A1 / C1 is prevented from picking up a signal and C1 is discharged. With the delay R3 * C5, V3 is then set to pass and the integrator A2 / C4 discharges, ie the staircase voltage

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.Zeroed. The strong return pulse via the differentiation capacitor C2 is derived via V 4 and V5. When the square pulse of S has ended, the gate voltage at V3 immediately becomes zero, because the effect of the diode D1 is that the capacitor C5 can not cause a delay. C5 discharges via R4. By contrast, the diode D2 prevents an immediate discharge of the charge from C6 and thus delays the release of the integrator A1 / C1. C6 unloads via 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.In Fig. 7 is a detail of Pig. 5 and supplemented by a potentiometer R6 with linear characteristic and a high resistance R7. If the potentiometer is in the middle position, the voltage at R7 is zero. Rβ and R7 have no influence on the pig. 5 explained puncture. If the current / frequency converter gives off pulses due to an offset current despite the lack of supply of a current from outside, this error can be compensated by setting a voltage of corresponding polarity and thus of a countercurrent by means of R6.

Claims

-β- 2131

Brfindungsanspruch

Current / frequency converter according to the integration method with charge compensation by the displacement current of a capacitance according to WP 137 150, characterized in that the integrator (A1 / C1) is followed by a comparator for positive and negative signals that these Eomparatoren via pulse shaper with one each Switches are connected, which connects a positive or negative Beferenzstroniquelle each short-term to the input of a second integrator (A2 / C4) whose output is connected via a differential capacitor (C2) to the input of the first integrator.

Current / frequency converter according to item 1, characterized in that the integrator for generating the staircase voltage (A2 / C4) except the quantized feedback current, a manually or automatically adjusted constant current is supplied, with a strength and polarity, which the compensation of the offset current of the current / frequency converter.

For this __ ^ ___ pages drawings