DE1238068B - Verfahren zur Spannungs-Frequenz-Umsetzung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

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PATENTAMT Int. CI.:

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AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 al - 36/00

Nummer: 1 238 068

Aktenzeichen: S 98804 VIII a/21 al

Anmeldetag: 12. August 1965

Auslegetag: 6. April 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spannungs-Frequenz-Umsetzung mit einem Integrator für die umzusetzende Spannung und einem Amplitudenvergleicher, der die Abgabe von Ausgangsimpulsen und die Entladung des Integrators veranlaßt, sobald die integrierte Spannung einen vorgegebenen Amplitudenwert erreicht. Bei bekannten Umsetzern dieser Art erfolgt die Entladung des Integrators unmittelbar durch die im Umsetzer erzeugten Impulse, die in ihrer Gesamtheit die Frequenz darstellen, in die die Spannung umgesetzt ist. Diese in einer Triggerschaltung erzeugten Impulse besitzen eine definierte Höhe, Länge und Polarität. Die Polarität ist dabei so gewählt, daß sie am Eingang des Integrators so erscheinen, daß sie die gewünschte Entladung desselben bewirken.

Die Arbeitsweise eines bekannten Spannungs-Frequenz-Umsetzers, wie er beispielsweise in der Siemens-Zeitschrift, 1964, S. 36 bis 39, beschrieben ist, läßt Fig. 1 erkennen. Im oberen Diagramm der Figur ist die im Integrator aus der Eingangs-Analog-Spannung integrierte Spannung XJ 2 über der Zeit t aufgetragen, während im unteren Diagramm die Folge der von dem Umsetzer abgegebenen Impulse ebenfalls über der Zeit t aufgetragen ist. Bei der Spannung t/2 handelt es sich also beispielsweise um die Spannung an einem den wesentlichen Bestandteil des Integrators darstellenden Integrationskondensator, der zusammen mit geeignet gewählten ohmschen Widerständen den Integrator bildet. Man erkennt, daß der zeitliche Verlauf der aus der Analog-Spannung entstandenen integrierten Spannung XJ 2 die Form eines Sägezahns mit relativ flachem Anstieg und steilem Abfall besitzt. Während des Anstiegs lädt sich der Integrationskondensator auf, bis die Spannung an ihm einen vorgegebenen Amplitudenwert U_v erreicht hat. Sobald dieser Wert erreicht ist, wird in einem Amplitudenvergleicher ein Impuls erzeugt, der, wie das untere Diagramm der F i g. 1 erkennen läßt, eine konstante Höhe und eine konstante Dauer besitzt. Bei bekannten Umsetzern dieser Art wird nun dieser Impuls zurückgeführt an den Eingang des Integrators und bewirkt dessen Entladung. Die Entladung wird im oberen Diagramm der Fig. 1 durch den relativ steilen Abfall der Spannung U2 dargestellt.

Diese bekannte Schaltung besitzt die Eigenschaft, daß die Dauer des Entladevorgangs, d. h. die Impulsdauer, nicht berücksichtigt und dadurch eine Nichtlinearität der Umsetzung von dem Spannungswert in den Frequenzwert verursacht wird. Besonders störend kann die Tatsache sein, daß diese Nichtlinearität Verfahren zur Spannungs-Frequenz-Umsetzung

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr. Günther Wehrle, Karlsruhe

nicht konstant ist, sondern sich mit der jeweiligen Amplitude der umzusetzenden Spannung ändert. Sie wird mit steigender Amplitude etwas kleiner; es kann sogar der Fall auftreten, daß die Nichtlinearität negativ wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spannungs-Frequenz-Umsetzung der eingangs beschriebenen Art und löst die Aufgabe, diese in manchen Anwendungsfällen störende Nichtlinearität zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die umzusetzende Spannung dem Integrator über einen Umschalter zugeführt ist, der, gesteuert von dem Amplitudenvergleicher, eine Umpolung der dem Integrator zugeführten Spannung sowohl dann, wenn die integrierte Spannung den erstgenannten vorgegebenen Amplitudenwert erreicht, als auch dann, wenn sie auf einen unter diesem liegenden zweiten vorgegebenen Amplitudenwert gesunken ist, vornimmt.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Spannuhgs-Frequenz-Umsetzung ist also in der Einbeziehung der Entladezeit des Integrators in die Messung zu sehen. Während bei den oben beschriebenen bekannten Umsetzern die Steilheit der die Entladung darstellenden steileren Flanke des Sägezahnes unabhängig von der Amplitude der umzusetzenden Spannung konstant bleibt und dadurch einen Linearitätsfehler verursacht, ist die Steilheit beider Flanken des zeitlichen Verlaufs der integrierten Spannung XJ 2 bei dem erfindungsgemäßen Umsetzer durch die jeweilige Amplitude der umzusetzenden Spannung gegeben. Durch die Einführung eines zweiten vorbestimmten Amplitudenwertes, bei dem ebenfalls eine Impulserzeugung erfolgt, werden beide Flanken des aus den eben erläuterten Gründen zumindest ungefähr dreiecksförmigen zeitlichen Ver-

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laufs der Spannung U2 zur Umsetzung herangezogen. Für die Wahl des zweiten vorgegebenen Amplitudenwertes gibt es im Prinzip zwei Möglichkeiten. Die eine besteht darin, daß die beiden vorgegebenen Amplitudenwerte dieselbe Polarität besitzen. F i g. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der integrierten Spannung U 2 für dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung. Man erkennt, daß der zeitliche Verlauf eine Dreieckskurve ist, deren Extremwerte durch die beiden vorgegebenen Amplitudenwerte Uy ₁ und U_{v 2} bestimmt sind, bei denen jeweils in in dem Diagramm nicht dargestellter Weise wiederum ein Ausgangsimpuls des Umsetzers erzeugt wird. Während aber bei der eingangs beschriebenen bekannten Anordnung diese Ausgangsimpulse selber zugleich dazu dienten, die Entladung des Integrators zu bewirken, veranlaßt der Amplitudenvergleicher im Fall der Erfindung beim Erreichen der vorgegebenen Amplitudenwerte U_Vl und Uy₂ jeweils eine Änderung der Polarität der dem Integrator zugeführten umzusetzenden Spannung, so daß eine dauernde Umladung beispielsweise eines Integrationskondensators durch die umzusetzende Spannung selbst erfolgt und sich die in F i g. 2 dargestellte Kurve ergibt.

Die andere Möglichkeit für die Wahl des zweiten vorgegebenen Amplitudenwertes besteht darin, daß die beiden vorgegebenen Amplitudenwerte entgegengesetzte Polaritäten besitzen. Den Verlauf der integrierten Spannung U2 über der Zeit / für dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 3. Man erkennt, daß in diesem Fall beispielsweise der erstgenannte vorgegebene Amplitudenwert U_Vl positiv, dagegen der zweite vorgegebene Amplitudenwert Uy₂ negativ ist. Zwischen diesen beiden Extremwerten verläuft die Spannung U 2 wiederum in Dreiecksform, da in der bereits an Hand Fig. 2 beschriebenen Weise jeweils beim Erreichen eines Extremwertes eine Umpolung der Eingangsspannung und damit eine Umladung beispielsweise des Integrationskondensators, sofern ein solcher vorgesehen ist, erfolgt. Dabei geht aber wiederum die Dauer der Impulse, die in Fig. 3 nicht dargestellt sind, nicht in den Umladungsvorgang ein.

Die einfachste schaltungstechnische Lösung des erfindungsgemäßen Prinzips sieht vor, daß ein zwei-· poliger Umschalter vor dem Integrator angeordnet ist. Es handelt sich also um einen ganz einfachen Polwender. Insbesondere bei Verwendung eines elektronischen Umschalters können sich bei dieser Lösung jedoch Schwierigkeiten ergeben. Dann kann es zweckmäßig sein, vor dem Integrator einen einpoligen Umschalter anzuordnen und diesem einen Gegentaktverstärker vorzuschalten, d. h. einen Verstärker, dem die umzusetzende Spannung zugeführt wird und der zwei Ausgänge aufweist, an denen er die umzusetzende Spannung oder ein Vielfaches davon mit gleicher Amplitude, aber entgegengesetzten Polaritäten abgibt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den F i g. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele für Schaltungen beschrieben. In beiden Figuren ist mit Ul die umzusetzende Spannung, mit V 2 ein Integrationsverstärker mit dem den Widerstand R und den Integrationskondensator C enthaltenden Integrationsnetzwerk, mit U 2 die integrierte Spannung und mit A ein Amplitudenvergleicher bezeichnet. Der Amplitudenvergleicher A wird nach Art einer Kippschaltung ausgebildet sein und gibt an seinem Ausgang die Impulse ab, die in ihrer Frequenz den analogen Spannungswert Ul in digitaler Weise darstellen.

Im Fall der F i g. 4 wird die umzusetzende Spannung Ul über den zweipoligen Umschalter USl dem die Elemente/?, C und V2 enthaltenden Integrator zugeführt. Die integrierte Spannung U 2 wird in dem Amplitudenvergleicher mit konstanten Werten verglichen, und der Amplitudenvergleicher erzeugt dann

ίο Impulse, wenn entsprechend den Kurven nach den Fig. 2 und 3 Gleichheit zwischen der integrierten Spannung U 2 einerseits und den vorgegebenen Amplitudenwerten Uy₁ und Uy₂ andererseits besteht. Diese Impulse werden an den Klemmen α und b abgegriffen und irgendeinem Gerät zugeführt. Wie ferner die Wirkungslinie w bezeichnet, betätigt der Amplitudenvergleicher immer dann, wenn er einen Impuls erzeugt, den Umschalter USl vor dem Inte-^ grator, so daß immer dann eine Umpolung des Integrators vorgenommen wird. Das hat zur Folge, daß die umzusetzende Spannung Ul selber zur Entladung und zur Umladung des Integrationskondensators C herangezogen wird.

In F i g. 5 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt, die weitgehend der Anordnung nach F i g. 4 mit dem Unterschied entspricht, daß kein zweipoliger Umschalter, sondern ein einpoliger Umschalter US 2 in Verbindung mit einem Vorverstärker Vl vorgesehen ist, der an seinen Ausgangsklemmen c und d zwei amplitudengleiche, aber entgegengesetzte Vorzeichen besitzende Spannungen abgibt. Diese beiden Spannungen können amplitudengleich mit der umzusetzenden Spannung U1 sein, es ist aber auch möglich, daß der Verstärker die Spannung verstärkt. Im übrigen ist die Arbeitsweise dieser Schaltungsanordnung identisch mit der an Hand der F i g. 4 sowie 2 und 3 beschriebenen Anordnung.

Durch die erfindungsgemäße Einführung eines zweiten vorgegebenen Amplitudenwertes, bei dem gleichberechtigt mit dem erstgenannten vorgegebenen Amplitudenwert Impulse erzeugt werden, und dadurch, daß der gesamte zeitliche Verlauf der integrierten Spannung infolge Verwendung der umzusetzenden Spannung zur Entladung bzw. Umladung des Integrators von der jeweils umzusetzenden Spannung abhängig gemacht ist, die die Ursache der Nichtlinearität der Umsetzung bei den eingangs beschriebenen bekannten Spannungs-Frequenz-Umsetzern ausgeschaltet. Das Ergebnis ist ein Gewinn an Genauigkeit der Umsetzung. Weiterhin brauchen bei dem erfindungsgemäßen Umsetzer nicht, wie bei den bekannten Schaltungen dieser Art, Normalimpulse konstanter Höhe und Dauer erzeugt zu werden, wobei außerdem die Dauer des Impulses klein sein muß im Verhältnis zur Aufladezeit. Man ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung also in der Wahl der Dauer des Impulses unabhängig von den Erfordernissen der Schaltung selber und kann die Dauer im Hinblick auf die Anforderungen der nachgeschalteten Geräte bemessen. Auch ist es nicht wie bei den bekannten Anordnungen erforderlich, die obere Grenzfrequenz des Integrationsverstärkers wesentlich höher als die Impulsfolgefrequenz zu wählen. Diese Bedingung bei den bekannten Schaltungen hängt ebenfalls mit der erforderlichen kurzen Entladezeit zusammen, da die geforderte Einstellzeit von dieser abhängig ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Spannungs-Frequenz-Umsetzung mit einem Integrator für die umzusetzende Spannung und einem Amplitudenvergleicher, der die Abgabe von Ausgangsimpulsen und die Entladung des Integrators veranlaßt, sobald die integrierte Spannung einen vorgegebenen Amplitudenwert erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß die umzusetzende Spannung dem Integrator über einen Umschalter zugeführt ist, der, gesteuert von dem Amplitudenvergleicher, eine Umpolung der dem Integrator zugeführten Spannung sowohl dann, wenn die integrierte Spannung den erstgenannten vorgegebenen Amplitudenwert erreicht, als auch dann, wenn sie auf einen unter diesem liegenden zweiten vorgegebenen Amplitudenwert gesunken ist, vornimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden vorgegebenen Amplitudenwerte dieselbe Polarität besitzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden vorgegebenen Amplitudenwerte entgegengesetzte Polaritäten besitzen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweipoliger Umschalter vor dem Integrator angeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Integrator ein einpoliger Umschalter angeordnet und diesem ein Gegentaktverstärker vorgeschaltet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Umschalter vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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