DE1184415B - Spannungs-Frequenz-Umsetzer - Google Patents

Description

• Spannungs-Frequenz-Umsetzer Es ist bekannt, einen als elektrische Spannung erhaltenen Meßwert dadurch zeitlich zu integrieren, daß man die Spannung in eine dazu proportionale Impulsfrequenz umsetzt und die Anzahl der erhaltenen Impulse zählt. Eine primitive Ausführungsform einer solchen Integrationsvorrichtung sieht eine Kippstufe vor, bei welcher ein Kondensator von der Meßspannung aufgeladen und beim Erreichen einer vorgegebenen Spannung über eine Glimmlampe entladen wird; Diese einfache Ausführung hat aber den Nachteil, daß kein hinreichend linearer Zusammenhang zwischen Meßspannung und Impulsfrequenz besteht. Bei konstanter Meßspannung U, -hängt die Kondensator-Spannung U nach einer Exponentialfunktion von der Zeit ab wenn U1 die Kondensatorspannung für t = 0 ist. Wenn man für U1 die Löschspannung der Glimmlampe in der beschriebenen Kippschaltung einsetzt, so ergibt sich bei einer konstanten Ladespannung (Meßspannung) U, für die Zeit T bis zum erneuten Erreichen der Zündspannung U2 der Glimmlampe: Es besteht nur dann eine lineare Abhängigkeit der Kippfrequenz von der Meßspannung Uo, nämlich wenn das zweite Glied der Reihe gegen das erste vernachlässigbar ist, also Ui +. Uz -4 Uo wird. Die Meßspannung U, muß stets groß gegen Zünd- und Löschspannung der Glimmröhre sein. Nach oben hin ist die Größe der Meßspannung durch die Forderung begrenzt, daß beim Zünden der Glimmlampe die Entladezeit des Kondensators bis zum Erreichen der Löschspannung klein gegen die Aufladezeit ist. Eine solche Anordnung gestattet somit nicht die Integration eines über einen sehr großen Meßbereich veränderlichen Meßwertes.
• Bei einer anderen bekannten Integriervorrichtung wird der Integrationskondensator nicht über eine Glimmlampe entladen: Vielmehr 'ist eine Bezugsspannung vorgesehen; und durch spannungsvergleichende Mittel wird ein Impuls ausgelöst und auf den Eingang' der Integrierstufe gegeben, sobald die Spannung an dem Integrierkondensator die Bezugsspannung erreicht hat: Diese Itpulse sind in ihrer Polarität der Meßspannung entgegengerichtet und entsprechen der im Integrationskondensator bei der Auslösespannung gespeicherten Ladung; so daß der IntegrationskondensatorebenfallsWieder auf Null zurUkgestellt wird und eine Kippschwingung ,entsteht, deren Frequenz proportional' der Meßspannung ist. Diese Anordnung ist jedoch ziemlich kompliziert und weist ebenfalls die Mängel auf, die eingangs schon erörtert wurden, daß nämlich die Proportionalität zwischen Meßspannung und Kipp- oder Impulsfrequenz nur unter bestimmten Voraussetzungen gegeben ist.
• Bei einer, anderen bekannten Anordnung sind zwei Oszillatoren vorgesehen, von denen der eine mit einer konstanten Frequenz arbeitet und die Frequenz des anderen nach Maßgabe einer Meßsp'annung veränderbar ist. Die beiden Frequenzen werden in einer Frequenzmischstufe gemischt. Die Frequenzmischstufe liefert dann eine Ausgangsfrequenz proportional der Meßspannung, und- diese wird zur zeitlichen Integration der Meßspannung einem Zählwerk zugeführt. Diese Anordnung ist relativ kompliziert im Aufbau, insbesondere, da dort noch durch geeignete Rückführmittel für eine strenge Proportionalität zwischen Meßspannung und Ausgangsfrequenz gesorgt werden muß.
• Es sind ferner elektronische Integratoren bekannt, welche eine dem Zeitintegral der Eingangsspannung proportionale Ausgangsspannung liefern. Ein solcher Integrator ist beispielsweise der uMiller«-Integrator. Dieser besteht prakhsck aus einem kapazitiv gegengekoppeltem Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad V. Die Meßspannung liegt über einen Widerstand R am Eingang des Verstärkers. Die Kapazität des Gegenkopplungskondensators sei C. Bezeichnet man die Spannung am Eingang des Verstärkers mit Ue, die Meßspannung wieder mit U, und die Ausgangsspannung des Verstärkers mit U" = V U, dann ist der Ladestrom i des Kondensators C Für hohe Verstärkungen (V --> oo) wird daraus Diese Verstärker sind aber ihrer Natur nach nicht in der Lage, Meßwerte über große Zeiten zu integrieren, weil sie die Integralwerte elektrisch nicht beliebig lange speichern können, so daß bei der Integration über längere Zeiten Fehler durch Leckverluste auftreten.
• Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der .bekannten Integratoren zu vermeiden.
• Die Erfindung verwendet einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer, bei welchem ein Kondensator nach Maßgabe einer Meßspannung aufgeladen und beim Erreichen einer vorgegebenen Kondensatorspannung über unmittelbar parallel zu dem Kondensator liegende spannungsempfindliche Kurzschlußrnittel entladen wird. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, daß der Kondensator den Gegenkopplungskondensator eines an sich bekannten Miller-Integrators bildet, an dessen Eingang die Meßspannung anliegt.
• F i g. 1 zeigt die Schaltung eines nach der Erfindung ausgebildeten $pannungs-Frequenz-Umsetzers; F i g. 2 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der Spannung am Gegenkopplungskondensator des Miller-Integrators.
• Der Miller-Integrator 10 (F i g. 1) enthält .einen Verstärker 12 mit hohem Verstärkungsgrad V, auf dessen Eingangsseite eine Meßspannung U, über einen Widerstand R am Eingang 14 des Verstärkers 12 anliegt. Die Spannung unmittelbar am Eingang 14 des Verstärkers 12 ist U,. Der Ausgang 16 des Verstärkers 12, an dem die Ausgangsspannung Ua abgegriffen wird, ist über einen Gegenkopplungskondensator C mit dem Eingang 14 verbunden. Wie oben schon beschrieben wurde, ist die Ausgangsspannung U. bei hohem Verstärkungsgrad V proportional dem Zeitintegral der Eingangsspannung U, Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Spannung U, am Kondensator C praktisch gleich der Ausgangsspannung Ua ist. Es ist nämlich und das wird zu Uc ,. Ua wenn V sehr groß ist, wie vorausgesetzt war. Die Erfindung sieht deshalb eine Glimmlampe 18 mit einer Zündspannung U$ und einer Löschspannung Ux vor, die parallel zu dem Gegenkopplungskondensator C liegt.
• Die Kondensatorspannung U, und damit auch die Ausgangsspannung U. nimmt bei einer als konstant angenommenen Meßspannung Ua den aus F i g. 2 ersichtlichen zeitlichen Verlauf. Da die Schaltung 10 die Eingangsspannung U, streng integriert, steigt die Kondensatorspannung U, bei konstanter Meßspannung U, zunächst linear an, bis die Zündspannung Us der Glimmlampe 18 erreicht ist. Dann zündet die Lampe 18, und der Kondensator C entlädt sielt bis auf die Löschspannung U1 der Glimmlampe 18. Nach dem Löschen der Glimmlampe 18 erfolgt ein erneuter linearer Anstieg von Uc bis zur Zündspannung U8, worauf sich das Spiel zyklisch wiederholt. Die Kondensatorspannung Uc schwankt also periodisch mit einer Amplitude d uc = U2 - U, Die Frequenz ist mit a=T+TL@ wobei T die Anstiegszeit und TL die Entladezeit ist, wie in F i g. 2 dargestellt ist. Nun ist Die Anstiegszeit T ergibt sich dabei zu Wenn man TL gegen T vernachlässigen kann, dann wird unmittelbar proportional zu der . Meßspannung Uo. Man erhält also eine Kippfidquenz, die in weiten Grenzen proportional der anliegenden Meßspannung Uo ist.
• Mit dieser Frequenz wird - gegebenenfalls nach geeigneter Impulsformung - mittels eines Impulsformers 20 ein Zählwerk 22 beaufschlagt: Als Glimmlampe 18 wurde eine speziell zur Erzeugung sehr konstanter Referenzspannungen entwickelte Glimmlampe verwendet. Es ergab sich damit eine Langzeitkonstanz der Spannungs-Frequenz-Umsetzung; die besser als 5 °/" war. Bis zu einer Kippfrequenz von f = 1,2 Kilohertz ergab sich eine Linearität der Spannungs-Frequenz-Kennlinie besser als 8 °/,. Bei «fach höheren Frequenzen macht sich die Entladezei# TL bemerkbar. Versuche, eine Verkürzung von TL und damit höhere Frequenzen durch Verwendung einer Silizium-Vierschichtdiode zu erzielen, führten l#cht zum Erfolg. Zwar gelang durch die im gezündeten Zustand außerordentlich niederahmige Diode eine Reduzierung von TL um etwa zwei Größenordnungen; gleichzeitig ergab sich jedoch folgender Nachteil: Eine als »Rate-Effekt« bekannte Eigenschaft von, Vierschichtdioden besteht darin; daß die Schaltspannung, mit der Steilheit des Spannungsanstieges sinkt. Da nun mit steigender Frequenz, d. h. mit steigender Eingangsspannung des Umsetzers, der Spannungsanstieg am Kondensator C in seiner Steilheit zunimmt, sinkt die Zündspannung, und die Frequenz nimmt zu. Erzielbare Konstanz, Linearität und maximale Frequenz sind bei Verwendung einer Vierschichtdiode etwa den Werten bei Verwendung einer Glimmlampe vergleichbar.
• Eine weitere Erhöhung der zulässigen Kippfrequenz ist jedoch bei Auslösung des Kippvorganges durch einen Schmitt-Trigger erzielbar.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Spannungs-Frequenz-Umsetzer, bei welchem ein Kondensator nach Maßgabe einer Meßspannung aufgeladen und beim Erreichen einer vorgegebenen Kondensatorspannung über unmittelbar parallel zu dem Kondensator liegende spannungsempfindliche Kurzschlußmittel entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator den Gegenkopplungskondensator eines an sich bekannten Miller-Integrators bildet, an dessen Eingang die Meßspannung anliegt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Integration der Meßspannung die erhaltenen Kippimpulse einer Zählvorrichtung zugeführt werden.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsempfindlichen Kurzschlußmittel von einer Glimmlampe gebildet werden.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsempfindlichen Kurzschlußmittel von einem Schmitt-Trigger gebildet werden oder von diesem gesteuert werden