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Schaltungsanordnung zum Umwandeln einer elektrischen Meßspannung in
einen in seiner Dauer von dieser abhängigen elektrischen Impuls Die Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung zum Umwandeln einer elektrischen Meßspannung in einen in
seiner Dauer von dieser abhängigen elektrischen Impuls, wobei diese Abhängigkeit
sowohl linear als auch in vorbestimmter Weise nichtlinear sein kann.
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Es sind bereits Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art bekanntgeworden,
die eine Spannungsvergleichseinrichtung enthalten, der die zu messende Spannung
einerseits und eine zeitproportional ansteigende Spannung (Sägezahnspannung) andererseits
zugeführt werden. Zu Beginn des Ansteigens der Sägezahnspannung wird die Torstufe
geöffnet; und wenn die zu messende und die Sägezahnspannung gleich sind, wird die
Torstufe geschlossen. Derartige Schaltungsanordnungen sind durch die Trennung von
Vergleichseinrichtungen und Sägezahngenerator sowie durch die komplizierte Triggereinheit,
die die zum Einleiten des Meßvorganges notwendigen Aktionen, nämlich das Öffnen
der Torstufe und das Triggern des Sägezahngenerators, mit der notwendigen Genauigkeit
durchführen muß, relativ aufwendig.
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Es ist auch bereits eine Schaltungsanordnung bekannt, die unter Verwendung
eines monostabilen Multivibrators arbeitet, an dem die umzuwandelnde elektrische
Spannung über den Arbeitswiderstand des im Ruhezustand gesperrten Transistors eingespeist
wird. Diese bekannte Anordnung ist einfach aufgebaut und läßt sich auf einfache
Weise triggern. Ihr Nachteil besteht jedoch darin, daß die Dauer des elektrischen
Impulses nicht allein von der Größe der Meßspannung im Triggerzeitpunkt abhängt,
sondern auch von dem Verlauf der Meßspannung nach dem Triggerbeginn beeinflußt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, deren Impulsdauer
von der Meßspannung im Triggerzeitpunkt abhängt und von dem weiteren Verlauf der
Meßspannung unbeeinflußt bleibt.
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Die Erfindung geht aus von der vorhergehend beschriebenen Schaltungsanordnung
und ist im wesentlichen darin zu sehen, daß zwischen dem für die Betriebs- und Meßspannung
gemeinsamen Massepotential und der Basis des im Ruhezustand leitenden Transistors
eine zusätzliche Stromquelle eingeschaltet ist, die den funktionellen Zusammenhang
zwischen Meßspannung und Impulsdauer beeinflußt, und daß die Emitter in an sich
bekannter- Weise wenigstens wechselspannungsmäßig auf festem Potential liegen.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist die zusätzliche Stromquelle
als Konstantstromquelle ausgebildet. Hierdurch läßt sich ein besonders genauer linearer
Zusammenhang der Impulsdauer von der Meßdauer erreichen.
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Die zusätzliche Stromquelle kann aber auch steuerbar ausgebildet sein.
Dadurch lassen sich bestimmte nichtlineare Zusammenhänge der Impulsdauer von der
Meßspannung erreichen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die steuerbare
Stromquelle durch einen Teil der Spannung des zeitbestimmenden Kondensators des
Multivibrators gesteuert sein.
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Zu diesem Zweck kann vorzugsweise der zeitbestimmende Kondensator
in Teilkondensatoren aufgeteilt sein, wobei die Steuerspannung für die steuerbare
Stromquelle an deren Verbindungsstelle abgenommen wird.
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Gemäß einer Weiterbildung ist in die Steuerleitung vom Kondensator
zur Stromquelle ein reeller oder komplexer Widerstand eingefügt.
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Eine andere Weiterbildung ist darin zu sehen, daß der Kollektorwiderstand
des im Ruhezustand gesperrten Transistors durch einen Schalter überbrückbar ist,
der im Ruhezustand des Multivibrators geschlossen ist. Dadurch wird erreicht, daß
der zeitbestimmende Kondensator insbesondere bei schnell veränderlichen Meßspannungen
ohne Phasenverzögerung auf die Meßspannung aufgeladen wird, so daß die Meßgenauigkeit
der Schaltungsanordnung dadurch erhöht wird.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an
mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben:
F i g.1 ist
ein Blockschaltbild einer digitalen Spannungsmeßvorrichtung; F i g. 2 ist eine Schaltungsanordnung
nach der Erfmdung, bei der eine Konstantstromquelle zum Aufladen des zeitbestimmenden
Kondensators vorgesehen ist; F i g. 3 zeigt den Spannungsverlauf am Emitter der
Transistoren in der Schaltung nach F i g. 2 für drei verschiedene Werte der Meßspannung;
F i g. 4 zeigt den Spannungsverlauf am Kollektor des einen Transistors, ebenfalls
für drei verschiedene Werte der Meßspannung; F i g. 5 zeigt einen Teil einer gegenüber
F i g. 2 abgeänderten Schaltungsanordnung, bei der eine steuerbare Stromquelle vorgesehen
ist und der zeitbestimmende Kondensator in zwei Teilkondensatoren unterteilt ist;
F i g. 6 zeigt einen Teil der Schaltungsanordnung nach F i g. 2, bei der der Ladewiderstand
des zeitbestimmenden Kondensators von einem Transistorschalter überbrückt ist, dessen
Schaltungszustand vom Kollektor des anderen Transistors gesteuert wird.
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F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild einer digitalen Spannungsmeßvorrichtung.
Diese umfaßt einen Oszillator 1, der über eine Torstufe 2 mit einem Zähler 3 verbunden
ist. Der Steuereingang der Torstufe 2 steht mit dem Ausgang einer Steuerstufe 4
in Verbindung, die einen Ausgangsimpuls erzeugt, dessen Dauer von der Höhe der an
dem Eingang anliegenden Meßspannung abhängt. Die Steuerstufe bildet den eigentlichen
Anmeldungsgegenstand.
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F i g. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung, die den
Vorteil hat, daß die Impulsdauer des Multivibrators sehr genau linear zur Meßspannung
ist und daß sich die Impulsdauer bei Änderungen der Meßspannung U während des metastabilen
Zustandes des Multivibrators nicht ändert. Dies ist dadurch erreicht, daß die Meßspannung
in die gemeinsame Kollektorleitung 22 des Multivibrators eingekoppelt ist, und daß
der Basiswiderstand des Transistors 5 durch eine Konstantstromquelle ersetzt ist.
Diese umfaßt einen Transistor 23, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors
5 verbunden ist, dessen Basis über einen Widerstand 24 und dessen Emitter über eine
Serienschaltung eines Widerstandes 25 und einer Festspannungsquelle 26 an den negativen
Pol der Spannungsquelle für den Multivibrator angeschaltet ist.
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Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Meßspannung U gewissermaßen
auf die Batteriespannung UB aufgestockt, und durch diese Art der Einkopplung der
Meßspannung wird die Aufladung des zeitbestimmenden Kondensators während des stabilen
Zustandes von der Meßspannung gesteuert. Im Ruhezustand hat der Punkt 14 etwa das
gleiche Potential wie der Punkt 22, und der Kollektor 11 hat etwa das Potential
des .gemeinsamen Emitteranschlusses 27. Wird nun durch einen passend eingekoppelten
Triggerimpuls das Umkippen der Schaltung in den metastabilen Zustand herbeigeführt,
so vertauschen sich die Potentiale an den Kollektoranschlüssen 14 und 16 der beiden
Transistoren 5 und 6, und im gleichen Moment beginnt die Konstantstromquelle 23
bis 26 den Kondensator 15 umzuladen, so daß die Spannung an der Basis 16 des Transistors
5 wieder in Richtung auf die Spannung des Punktes27 zurückläuft. Erreicht er diese,
so kippt die Schaltung in den Ruhezustand zurück. Die lineare Änderung des Potentials
der Basis 16 kommt dadurch zustande, daß der die Impulsdauer bestimmende Kondensator
15 mit konstantem Strom umgeladen wird, so daß dessen Spannung sich gemäß der Gleichung
Ladungsmenge zu Kapazität = Spannung linear ändert. Da das Basispotential, bei der
das Umkippen in den Ruhezustand geschieht, im wesentlichen unabhängig von dem Potential
des Punktes 22 ist, da die Zeitdauer für das Umladen des Kondensators 15 linear
von der an diesem liegenden Spannung abhängt und da die an dem Kondensator 15 auftretende
Spannung wegen der Kollektoreinspeisung der Meßspannung auch linear mit dieser zusammenhängt,
ergibt sich schließlich eine lineare Abhängigkeit der Impulsdauer der Schaltungsanordnung
von der Meßspannung.
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F i g. 3 zeigt den Spannungsverlauf an der Basis 16 des Transistors
5 für drei verschiedene Meßspannungswerte UM, und F i g. 4 zeigt den Verlauf
der zu diesen Meßspannungen gehörenden Ausgangsimpulse am Kollektor 14 des Transistors
6.
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F i g. 5 zeigt einen gegenüber der Schaltung nach F i g. 2 abgeänderten
monostabilen Multivibrator, bei dem die Stromquelle zur Umladung des zeitbestimmenden
Kondensators steuerbar ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist der Emitterwiderstand
25. durch zwei in Serie geschaltete Widerstände 28 und 29 ersetzt, deren Verbindungsstelle
über einen Widerstand 30 mit der Verbindungsstelle von zwei in Serie geschalteten
Kondensatoren 31 und 32 verbunden ist, die an Stelle des Kondensators 15 vorgesehen
sind.
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Hierdurch lassen sich bestimmte nichtlineare Funktionen des Typs
t = (a -I- U) / (b -f- cU) einstellen. Dies wird durch Rückkopplung
der Spannung an dem die Impulsdauer bestimmenden Kondensator 31, 32 auf die Stromquelle
erreicht. Durch Wahl der Widerstände 28, 29 und 30 lassen sich verschiedene positive
oder negative Werte der Konstanten c einstellen.
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Bei vergleichsweise schnellen Änderungen der Meßspannung kann es vorkommen,
daß die Spannung am Kondensator der Meßspannung nachhinkt und infolgedessen falsche
Werte gemessen werden, da der Kondensator 15 bzw. 31, 32 im stabilen Zustand über
den Widerstand 9 mit einer gewissen Zeitkonstante aufgeladen wird.
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F i g. 6 zeigt eine Schaltungsvariante, die die Schaltungsanordnungen
nach den F i g. 2 und 5 auch zum Messen sich schnell ändernder Spannungen geeignet
macht. Zu dem Zweck ist parallel zu dem Kollektorwiderstand 9 ein Schalterdreipol
33 gelegt, beispielsweise ein npn-Transistor, dessen Basis über ein RC-Glied 34
mit dem Kollektor des Transistors 5 verbunden ist.
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Im Ruhezustand des Multivibrators ist der Transistor 33 leitend, so
daß die Aufladezeitkonstante des Kondensators 15 bzw. 31, 32 nahezu auf Null herabgesetzt
ist. Im metastabilen Zustand ist der Transistor 33 geöffnet und beeinflußt die Funktion
des Multivibrators nicht.
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Bei den bisher beschriebenen Schaltungen ist die Höhe des Ausgangsimpulses
von der Meßspannung U abhängig. Dies läßt sich dadurch vermeiden, daß der Ausgangsimpuls
über eine Begrenzerstufe geleitet wird.
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An Stelle der Transistoren können natürlich auch Elektronenröhren
als Verstärkerelemente verwendet werden.