DE1288125B - Spannungs-Frequenz-Wandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Spannungs-Frequenz- oder Spannungs-Zeit-Wandlung zu schaffen. Insbe-Wandler mit einem Verstärker, dem das Eingangs- sondere soll durch die Erfindung ein Spannungssignal zugeführt wird, einem an den Ausgang des Ver- Frequenz-Umsetzer geschaffen werden, der allein für stärkers angeschlossenen, das Ausgangssignal liefernden sich oder in Verbindung mit einem Zähler als digitaler spannungsgesteuerten Oszillator und einer Stabili- 5 Spannungsmesser Verwendung finden kann,
sierungsschaltung, die eine mittels einer Schaltan- Die vorstehend genannten Aufgaben finden schon in Ordnung in Abhängigkeit von der Frequenz des Aus- gewisser Weise eine Lösung durch einen älteren Vorgangssignals getastete Referenzspannungsquelle zur schlag für die Ausbildung eines Spannungs-Frequenz-Erzeugung eines Steuersignals enthält. Wandlers, der, wie oben ausgeführt, einen Verstärker, Spannungs-Frequenz-Wandler umfassen allgemein io dem das Eingangssignal zugeführt wird, einen an den Schaltungen, · die in der Lage sind, eine Eingangs- Ausgang des Verstärkers angeschlossenen, das Ausspannung, beispielsweise eine Gleichspannung, zu gangssignal liefernden spannungsgesteuerten Oszillator empfangen und eine solche Eingangsspannung in eine und eine Stabilisierungsschaltung umfaßt, die eine zeitlich, veränderliche" Spannung umzusetzen, deren mittels einer Schaltanordnung in Abhängigkeit von Frequenz proportional oder umgekehrt proportional 15 der Frequenz des Ausgangssignals getastete Referenzzur Größe der Eingangsspannung ist. Die zuletzt spannungsquelle zur Erzeugung eines Steuersignals genannten Wandler ,könnten auch als Spannungs- enthält. Bei der vorgeschlagenen Anordnung ist eine Zeit-Wandler bezeichnet werden, weil ihr Ausgangs- Korrektionsschaltung vorgesehen, die einen Integrator signal einer Frequenz reziprok, d. h. 1// proportional aufweist, der in Abhängigkeit von der Frequenz des ist und 1// die Dimension einer Zeit aufweist. ao Ausgangssignals an Masse gelegt wird. Als Eingangs-Schaltungen dieser allgemeinen Art machen häufig signal wird dem Integrator das umzuwandelnde Einvon Kondensatoren als Teil der Wandlerschaltung gangssignal zugeführt, während das Steuersignal un- oder in Steuerschleifen Gebrauch, die einen Teil von mittelbar an den spannungsgesteuerten Verstärker Steuerschaltungen zur Steuerung des Wandlers bilden. angelegt wird. Dieser Vorschlag führt zwar zu einer Solche Schaltungen sind für viele Zwecke ausreichend, 25 sehr guten Charakteristik des Spannungs-Frequenzinsbesondere wenn Kondensatoren hoher Stabilität Wandlers, jedoch ist sein Aufbau noch relativ komplibenutzt werden. Zuweilen kann jedoch eine Drift der ziert.

Kondensatoren dem Einhalten einer sehr genauen Demgegenüber wird durch die Erfindung ein Span-Wandlungscharakteristik entgegenwirken. nungs-Frequenz-Wandler geschaffen, der sich nicht Bei einer anderen Art von Analog-Digital-Um- 30 nur durch eine sehr gute Linearität, sondern auch durch setzern wird das Ausgangssignal eines digitalen einen sehr einfachen Aufbau auszeichnet. Die Erfin-Zählers umgewandelt und dem einen Eingang eines dung besteht darin, daß, abweichend von dem älteren Komparators zugeführt, dessen anderer Eingang die Vorschlag, die Stabilisierungsschaltung eine vom Ausumzusetzende Spannung empfängt. Wenn zwischen gang des spannungsgesteuerten Oszillators auf den den zu vergleichenden Eingangsspannungen keine 35 Eingang des Verstärkers zurückgeführte Rückkopp-Ubereinstimmung besteht, läuft der digitale Zähler in lungsschleife bildet und die Referenzspannungsquelle einer bestimmten Richtung weiter, bis sein umge- intermittierend mit dem Eingang des Verstärkers gewandeltes Ausgangssignal am Komparator mit der koppelt wird, so daß dem Verstärker außer dem Ein-Eingangsspannung übereinstimmt, in welchem Augen- gangssignal eine von dem Tastverhältnis der Referenzblick die vom Zähler angezeigte Zahl die Eingangs- 40 spannung abhängige mittlere Gleichspannung zugespannung darstellt. Bei anderen bekannten Ausfüh- führt wird.

rungsformen wird ein summierender Integrator be- Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Ernutzt, der von einer Eingangsspannung gesteuert wird findung umfaßt die mit dem spannungsgesteuerten und seinerseits einen Impulsgenerator steuert. Der Oszillator verbundene Schaltanordnung einen von Ausgang des Impulsgenerators wird dann in negativem 45 dem Oszillator gesteuerten Generator, der veränder-Sinne auf den summierenden Integrator rückgekoppelt. liehe Taktsignale mit von der Frequenz des Oszillators Der Gebrauch eines Systems mit geschlossener Schleife abhängiger Dauer erzeugt, und einen Generator, der bei solchen Anordnungen bietet einige Vorteile im Taktsignale bestimmter, unveränderlicher Dauer erHinblick auf die Linearität. In diesem Falle erfordert zeugt, und es werden diese beiden Taktsignale zur die direkte Zuführung der Eingangsspannung zum 50 Steuerung der Ankopplung der Referenzspannungs-Integrator, daß die Folge der Integrationszyklen der quelle verwendet.

Größe der Eingangsspannung proportional ist. Die Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sowie

Integrationszyklen werden durch die Verwendung von Vorteile der Erfindung sind der folgenden Beschrei-

Impulsen bestimmt, die jedesmal eine konstante be- bung zu entnehmen, in der die Erfindung an Hand der

stimmte Fläche haben, wenn die ihnen zugeführte 55 in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele

Integratorspannung einen bestimmten Wert erreicht. näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigt

Da die Impulse eine festgelegte bestimmte Energie F i g. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform

aufweisen, ist die Impulsfrequenz bei der Umsetzung der Erfindung,

durch die Größe der Eingangsspannung bestimmt. F i g. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe 60 idealisierten Rückkopplungsspannungen bei dem

zugrunde, einen Spannungs-Frequenz-Wandler zu Wandler nach F i g. 1,

schaffen, der sich durch einen besonders einfachen F i g. 3 eine Abwandlung der bei dem Wandler

Aufbau und hohe Genauigkeit auszeichnet. Insbeson- nach F i g. 1 verwendeten Schaltung zur Erzeugung

dere soll der erfindungsgemäße Wandler relativ un- von Referenzspannungen,

empfindlich gegen eine Änderung der elektrischen 65 F i g. 4 eine weitere Abwandlung der Schaltung nach

Eigenschaften seiner Bestandteile sein. Ein besonderes F i g. 1, bei der der Verstärker der Schaltung nach

Anliegen der Erfindung ist es, eine verbesserte Vor- Fig. lduich einen integrierenden Funktionsverstärker

richtung für lineare Spannungs-Frequenz-Wandlung ersetzt ist, und

F i g. 5 eine Abwandlung der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 mit einer unterschiedlichen Schaltung, die zur Zuführung einer Referenzspannung zum Eingang des Funktionsverstärkers dient.

F i g. 1 veranschaulicht einen digitalen Spannungsmesser, der von einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO Gebrauch macht, um die Eingängsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, die eine von der Größe der Eingangsspannung abhängige Frequenz hat. Die Eingangsschaltung für den spannungsgesteuerten Oszillator bildet ein in seiner Gesamtheit mit A1 bezeichneter Verstärker, der von einem im Eingang angeordneten Unterbrecher stabilisiert ist und mehrere Eingangsklemmen TEl, TEl und TEZ aufweist. An der Klemme TEl liegt die zu messende Eingangsspannung an, die von einer Eingangsspannungsquelle / geliefert wird, während der Ausgang eines potentialfreien Treibers FC für den Unterbrecher mit den Eingangsklemmen TE2 und TE3 verbunden ist. Eine Schaltung, die als Verstärker A1 geeignet ist, kann ohne Rückkopplung eine Verstärkung von 100 db oder mehr haben, je nachdem, welche Genauigkeit, Linearität und sonstige Betriebseigenschaften gewünscht werden. Der Ausgang des Verstärkers A1 ist mit der Eingangsklemme TEZ durch eine Rückkopplungsschleife verbunden, die den potentiometrischen Verstärker vervollständigt.

Die Ausgangssignale des spannungsgesteuerten Oszillators VCO erscheinen an den Ausgangsklemmen TEl und TE8. Die Ausgangsklemme TE8 kann mit einem beliebigen geeigneten Digitalzähler DC verbunden sein, der in der Lage ist, das Ausgangssignal des Oszillators unter der Steuerung von Taktschaltungen aufzunehmen, die mit einem Festfrequenzoszillator, beispielsweise einem Quarzoszillator XO, verbunden sind und von diesem Oszillator gesteuert werden. Der Digitalrechner erzeugt eine quantisierte Anzeige der Größe und des Vorzeichens der Eingangsspannung. Um elektrische Eingangssignale verarbeiten zu können, die über den Arbeitsbereich des Digitalrechners oder des Eingangsverstärkers A1 hinausgehen, kann ein Bereichsumschalter vorgesehen werden, der zwischen dem digitalen Zähler DC und einem in der Eingangsspannungsquelle / vorgesehenen, nicht näher dargestellten Spannungsteilernetzwerk angeordnet ist, um die dem Verstärker A1 zugeführte Eingangsspannung in den geeigneten Bereich zu bringen.

Im Eingang des Verstärkers A1 ist ein Unterbrecher-Transistor Ql dargestellt, dessen Emitter über die Eingangsklemme TEl am Ausgangssignal der Spannungsquelle / anliegt. Die Basis und der Kollektor dieses Transistors sind an den Klemmen TE2 und TE7> mit dem Ausgang des potentialfreien Unterbrecher-Treibers FC verbunden. Der Emitterkreis des Transistors ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, über einen Kondensator mit dem Eingang des Verstärkers verbunden.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung ist der Ausgang einer Rückkopplungsschaltung, die ihr Eingangssignal von der Klemme TEl des spannungsgesteuerten Oszillators empfängt, mit dem Kollektor des Unterbrecher-Transistors Ql verbunden, um den Umsetzer weiterzusteuern. Diese Rückkopplungsschaltung umfaßt eine Frequenzteilerschaltung FDC, die von dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators beaufschlagt wird, einen Treiber SD für eine Schaltanordnung RSC, die Schalttransistoren SWl und SWl enthält, einen Filter F und einen Widerstand Rl, der mit dem Kollektor des Unterbrecher-Transistors Ql verbunden ist. Wie dargestellt, sind die Schalttransistoren SWl und S Wl vom Typ npn und haben gemeinsame Emitterkreise, die an eine Klemme El angeschlossen sind, welche die Ausgangsklemme der Schaltanordnung RSC bildet. Die Kollektoren der Schalttransistoren sind an die Ausgänge entsprechender Verstärker A 21 und A 22 angeschlossen, die zur Erzeugung einer positiven und einer negativen Bezugsspannung dienen, welche Bezugsspannungen mit Hilfe der Schaltanordnung RSC an den Eingang TEZ des Verstärkers A1 gelegt werden können. Statt der dargestellten Referenzspannungsquellen könnte auch jede geeignete Gleichspannungsquelle hoher Konstanz verwendet werden. Wenn bei der beschriebenen Schaltung der Schalttransistor SWl leitend ist, wird eine positive Referenzspannung (-\-Ref) an die Klemme El angelegt. Wenn dagegen der Schalttransistor SWl leitend ist, liegt an der Klemme El eine negative Referenzspannung (—Ref) an.

Die Schalttransistoren SWl und SWl werden von dem Schaltertreiber SD gesteuert, der zwei Ausgänge Sl und 58 aufweist, die mit den Basen der entsprechenden Schalttransistoren verbunden sind und komplementäre Ausgangsspannungen erzeugen, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zwischen positiven und negativen Potentialen zweier Spannungszustände an jeder der Ausgangsklemmen umschalten. Wenn die Klemme 57 sich auf dem höheren, positiven Potential ihrer beiden Spannungszustände befindet, wird der Basis des Schalttransistors SWl eine Durchschaltspannung zugeführt, die bewirkt, daß dieser Transistor leitet und einen Stromfluß von der positiven Referenzspannung zum Filter F und dann über den Rückkopplungswiderstand R1 zum Kollektor des Unterbrecher-Transistors Q1 ermöglicht. Zu der gleichen Zeit, zu der sich die Klemme Sl auf einem bestimmten positiven Potential befindet, liegt die Klemme SS auf einem bestimmten negativen Potential, und der Schalttransistor S Wl ist gesperrt. Wenn die Klemme 58 auf das höhere, positive Potential ihrer beiden möglichen Spannungszustände umschaltet, wird die Klemme 57 auf das untere, negative Potential ihrer beiden Spannungszustände umgeschaltet und sperrt dadurch den Schalttransistor SWl, während der Schalttransistor 5 Wl in den leitenden Zustand versetzt wird, so daß ein Strom von der negativen Referenzspannungsquelle über den Rückkopplungswiderstand Rl fließen kann.

Die Steuerung des Schaltertreibers SD in der Rückkopplungsschaltung erfolgt mit Hilfe der Frequenzteilerschaltung FDC, die ihrerseits von dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators VCO, das an der Ausgangsklemme TEl erscheint, und dem Ausgangssignal eines Festfrequenzoszillators gesteuert wird, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von dem Quarzoszillator XO gebildet wird. Das Ausgangssignal der Frequenzteilerschaltung FDC wird dem Schaltertreiber SD zugeführt und schaltet diesen Treiber zwischen seinen beiden stabilen Zuständen in Zeitintervallen um, deren Dauer von dem Verhältnis der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO zu der Frequenz des Quarzoszillators XO be-* stimmt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt der Quarzoszillator feste Zeitintervalle, deren Dauer geringer ist als das kürzeste Zeitintervall, das von dem Ausgangssignal des span-

nungsgesteuerten Oszillators VCO erzeugt wird, wenn dieser Oszillator auf seiner höchsten Frequenz arbeitet. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung bestimmt der Quarzoszillator weiterhin die Zeitdauer, während der;n der Schalttransistor SWl, der zur Zuführung des Stromes von der positiven Referenzspannung dient, leitend ist und dadurch die positive Bezugsspannungsquelle mit dem Kollektor des Transistors Ql verbindet. Infolgedessen bestimmt der spannungsgesteuerte Oszillator, dessen bestimmte Frequenz die Gesamtdauer des Zeitintervalls bestimmt, die Länge der Zeit, während deren der Schalttransistor SWl leitend ist und die negative Bezugsspannung mit dem Kollektor des Unterbrecher-Transistors Ql im Verstärker A1 verbindet.

Infolgedessen wird dem Kollektor des Unterbrecher-Transistors Ql ein mittlerer Gleichstrom, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine bestimmte positive oder negative Polarität hat, die von dem Verhältnis der festen Schaltdauer zu der veränderlichen Schaltdauer abhängt, über den Filter F und den Rückkopplungswiderstand R1 zugeführt, um dem Eingang des Verstärkers A1 eine Korrekturspannung oder einen Korrekturstrom von einer Größe und einem Sinn zuzuführen, wie es erforderlich ist, um die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators genau auf den Wert zu bringen, der für die Eingangsspannung charakteristisch ist.

Die besondere Weise, in der die Schaltfunktionen stattfinden, um dem Eingang des Verstärkers A1 in der beschriebenen Weise eine Rückkopplung zuzuführen, wird besser verständlich, wenn nähere Einzelheiten der Frequenzteilerschaltung und des Schaltertreibers betrachtet werden. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, sind an den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO und des Quarzoszillators XO je ein Frequenzteiler FDl und FD 2 angeschlossen, die beide in Kaskade geschaltete Flip-Flops aufweisen können. Der Frequenzteiler FD 1 ist an den Quarzoszillator XO über ein UND-Gatter AG angeschlossen, bei dem es sich um einen getasteten Verstärker handeln kann. Der Steuereingang dieses Gatters ist mit einer Ausgangsklemme SS eines Treibers FSD verbunden. Der Zweck dieser Verbindung wird später noch erläutert. Wie bereits erwähnt, dient das Ausgangssignal des Quarzoszillators XO dazu, ein festes Zeitintervall zum Umschalten des Schaltertreibers SD zu schaffen, das kürzer ist als das kürzeste Zeitintervall, das von dem spannungsgesteuerten Oszi.litor VCO erzeugt wird, wenn dieser Oszillator mit seiner höchsten Frequenz arbeitet. Zu diesem Zweck sind die Frequenz des Quarzoszillators und die von dem Frequenzteiler FDI bewirkte Untersetzung so bemessen, daß an der Eingangsklemme 73 des Treibers FSD ein Schaltsignal erzeugt wird, das einen Schaltvorgang innerhalb des Schaltintervalls bewirkt, das durch das Ausgangssignal des Frequenzteilers FD1 bei der höchsten Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO bestimmt ist, das der Klemme Kl des Treibers FSD zugeführt wird. Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung kann der Treiber FSD ein üblicher transistorisierter Flip-Flop vom Typ J-K sein, der dadurch charakterisiert ist, daß der Flip-Flop von einem stabilen Zustand zum anderen umschaltet, wenn eine Eingangsspannung den entsprechenden 7- und X-Eingangsklemmen zugeführt wird. Die vorliegende Schaltung weist geringe Abwandlungen von der üblichen Art auf, denn es sind mit entsprechenden Eingangsklemmen 74 und Kl Freigabeschaltungen verbunden. Der Flip-Flop wird durch die Zuführung positiv ansteigender Spannungsimpulse zu einer der beiden Schaltklemmen 73 und Kl umgeschaltet, wenn an der zugeordneten Freigabeklemme 74 bzw. Kl eine Freigabespannung anliegt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird also jedesmal der Flip-Flop FSD zum Umschalten veranlaßt, wenn an der Klemme 74 eine Freigabespannung anliegt, d. h., wenn die Ausgangsklemme S5 auf dem höheren

ίο ihrer beiden Spannungszustände liegt, und ein positiv ansteigender Spannungsimpuls der Eingangsklemme 73 zugeführt wird. In gleicher Weise bewirkt ein positiv ansteigender Spannungsimpuls an der Klemme Kl das Umschalten des Flip-Flops FSD, wenn eine Freigabespannung an der Klemme Kl anliegt, die eine vollständige Zählung des Frequenzteilers FD1 anzeigt, zu welcher Zeit die Klemme Kl auf den höheren ihrer beiden Spannungszustände gebracht wird. Zur gleichen Zeit nimmt die Klemme 56 den niedrigeren ihrer beiden Spannungszustände an, und die Klemme 5*5 geht auf den höheren ihrer beiden Spannungszustände über. Es ist zu beachten, daß das Ausgangssignal des Quarzoszillators XO auch der Eingangsklemme Kl des Flip-Flop-Treibers FSD zugeführt wird. Wenn also der Frequenzteiler FD1 eine volle Zählung ausgeführt hat, gibt sein positives Ausgangssignal die Klemme Kl frei. Das nächste positiv ansteigende Ausgangssignal des Oszillators XO, das der Klemme Kl zugeführt wird, schaltet dann den Flip-Flop um, so daß die Klemme 55 den höheren ihrer beiden Spannungszustände annimmt.

Die Klemmen 55 und 56 des Treibers FSD sind mit den Eingangsklemmen 77 und /8 eines Ausgangsschalters OS verbunden, der so ausgebildet ist, daß ein positiv ansteigendes Signal an der Klemme Il bewirkt, daß die Klemme 57 das höhere, positive ihrer beiden Spannungszustände annimmt, während eine positiv ansteigende Spannung an der Eingangsklemme /8 ein Umschalten der Klemme 58 von ihrem unteren, negativen Spannungszustand zu ihrem höheren, positiven Spannungszustand bewirkt, wodurch die Schalttransistoren SWl und 5 Wl in entsprechender Weise geschaltet werden.
Das Spannungsdiagramm nach F i g. 2 veranschaulicht die Rückkopplungsspannung an der Klemme El für verschiedene Eingangsspannungen, nämlich für eine Eingangsspannung von O Volt sowie bei einer jeweils Vollausschlag bewirkenden positiven und negativen Eingangsspannung. In jedem Fall bezeichnet ti das feste Zeitintervall, das von den Schaltungen bestimmt ist, die von dem Quarzoszillator XO gesteuert werden, während das Zeitintervall ti die Zeitspanne darstellt, die durch die Schaltungen bestimmt ist, die von dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO gesteuert werden.

Zum Zweck der Beschreibung der Wirkungsweise der Rückkopplungsschaltung sei angenommen, daß ein Zyklus bis zu dem Punkt fortgeschritten ist, in dem der Frequenzteiler FD1 so viel Zählungen angesammelt hat, daß sein Ausgangs-Flip-Flop auf den höheren von seinen beiden Spannungszuständen umgeschaltet und dadurch eine Freigabespannung an die Klemme Kl des Flip-Flop-Treibers FSD angelegt hat. Da der Quarzoszillator XO mit der Eingangsklemme Kl des Treibers verbunden ist, führt das nächste, positiv ansteigende Ausgangssignal des Quarzoszillators XO eine positiv ansteigende Spannung der Eingangsklemme zu, die den Treiber FSD umschaltet.

Zu dieser Zeit wird das Ausgangssignal an der Klemme 55, wenn diese Klemme sich nicht bereits auf einem hohen Potential befindet, auf das höhere der beiden Potentiale umgeschaltet, also beispielsweise von einem negativen Potential auf Massepotential. Zu der gleichen Zeit fällt die Klemme 56 von Massepotential auf ein negatives Potential ab. Der Potentialanstieg an der Klemme 55 gibt nun die /-Seite des Flip-Flop-Treibers FSD und den getasteten Verstärker AG frei, weil die Klemme £5 mit der Klemme J4 des Treibers und dem Steuereingang des getasteten Verstärkers AG verbunden ist. Der nächste positive Anstieg des Ausgangssignals des Quarzoszillators XO wird nun dem Eingang des Frequenzteilers FD 2 zugeführt, der nun seinen Zählzyklus beginnt. Der Frequenzteiler FD 2 ist zu dieser Zeit in dem elektrischen Zustand, in dem der bedeutendste Flip-Flop sich in dem Zustand »1« befindet, in dem er von dem letzten Zyklus her verbleibt, während alle anderen Flip-Flops sich im elektrischen Zustand »0« befinden, wie es aus den noch folgenden Erläuterungen hervorgeht.

Von dieser Zählerstellung ausgehend, nehmen im Verlauf des Zählzyklus alle Flip-Flops des Frequenzteilers FDl den elektrischen Zustand »1« an, so daß beim nächsten Zyklus des Quarzoszillators alle Flip-Flops in den elektrischen »O«-Zustand umgeschaltet werden. Unter der Annahme, daß die Ausgangssignale der Frequenzteiler die gleichen Spannungen annehmen, d. h. zwischen Massepotential und einem negativen Potential umschalten, schaltet zu diesem Zeitpunkt das Ausgangssignal des Frequenzteilers FD2 von Massepotential auf ein geeignetes negatives Potential. Der Zählzyklus für den Frequenzteiler FD 2 wird fortgesetzt, bis der bedeutendste Flip-Flop in den Zustand »1« umschaltet, also in den elektrischen Zustand, der den Punkt darstellt, an dem das Ausgangssignal des Frequenzteilers FD 2 in positiver Richtung auf Massepotential umschaltet. Da die Klemme /4 durch das Massepotential an der Klemme 55 noch immer freigegeben ist, schaltet das positive Ansteigen des Ausgangssignals des Frequenzteilers FD 2 den Flip-Flop-Treiber um, so daß die Klemme 56 an Masse gelegt und die Klemme 55 auf ein negatives Potential umgeschaltet wird. Der getastete Verstärker A G ist nunmehr gesperrt, und der Frequenzteiler bleibt in dem genannten elektrischen Zustand. Infolgedessen wurden die Spannungszustände der Ausgangsklemmen 55 und 56 während einer bestimmten festen Zeitspanne umgekehrt, die von der Frequenz des Quarzoszillators und dem Frequenzteiler FD 2 bestimmt ist. Diese Zeitspanne ist. während jedes Operationszyklus die gleiche. Die Spannungen an den Klemmen 57 und 58 schalten synchron mit den Spannungen an den Klemmen 55 und 56 zwischen ihren oberen, positiven und unteren, negativen Spannungsniveaus um. Infolgedessen war während des Zeitintervalls, währenddessen die Klemme 55 sich in dem höheren ihrer beiden Spannungszustände befand, auch die Klemme 57 in dem höheren ihrer beiden Spannungszustände, so daß der Schalttransistor 51^1 leitend war und die postive Bezugsspannung (+Ref) mit der Klemme El verband. Dies stellt den Beginn des Zeitintervalls ti dar, wie es jede der Spannungskurven a, 2 und c in F i g. 2 aufweist. Sobald der Flip-Flop-Treiber FSD seinen elektrischen Zustand ändert und die Klemme 56 den höheren ihrer beiden Spannungszustände annimmt, nimmt auch entsprechend die Klemme 58 den höheren ihrer beiden Spannungszustände an, und es wird der Schalttransistor SWl gesperrt, während der Schalttransistor 5 W2 die negative Referenzspannung (—Ref) mit der Klemme El verbindet. Hierdurch wird das Zeitintervall ti nach den F i g. 2 (a), 2 (b) und 2 (c) beendet. Die Schaltung bleibt in diesem Zustand, bis der Frequenzteiler FD1 seinen Zählzyklus beendet hat, wonach sein Ausgang den höheren seiner beiden Spannungszustände annimmt. Dadurch wird die Klemme K2 freigegeben, so daß die nächste positive Änderung des Ausgangssignals des Quarzoszillators, die der Klemme Kl des Flip-Flop-Treibers FSD zugeführt wird, diesen Treiber umschaltet, so daß die Klemme 55 das höhere ihrer beiden Spannungszustände annimmt, wodurch die Klemme El wieder mit der höheren Referenzspannung (+Ref) verbunden wird. F i g. 2 (d) veranschaulicht den Zustand an der Klemme El, wenn dem Verstärker A1 eine Spannung von 0 Volt zugeführt wird. F i g. 2 (b) veranschaulicht den Spannungszustand an der Klemme El bei einer am Verstärker A1 anliegenden maximalen positiven Eingangsspannung. F i g. 2 (c) veranschaulicht endlich die Spannung an der Klemme El für den Fall, daß am Verstärker A1 eine maximale negative Eingangsspannung vorhanden ist.

Es versteht sich, daß die vorstehende Beschreibung bestimmte Schaltungsparameter voraussetzt, die es ermöglichen, daß die Spannungskurve 2 a für eine Eingangsspannung von 0 Volt eine gleiche Zeitdauer für die positiven und negativen Spannungszustände ergibt. Es können andere Bedingungen vorhanden sein, bei denen ein solcher idealisierter Spannungsverlauf nicht existiert, bei denen also die Zeitintervalle nicht notwendig die gleichen sind.

F i g. 3 zeigt nur einen Teil der in F i g. 1 veranschaulichten Schaltung. Die Teile der Schaltung, die in F i g. 3 nicht dargestellt sind, sind die gleichen wie in F i g. 1. F i g. 3 veranschaulicht eine Abwandlung der Schaltung zum Anlegen der Bezugsspannung, bei der der Kollektor des Schalttransistors SW2 geerdet und der Kollektor des Schalttransistors SWl mit einer geeigneten stabilen Bezugsspannungsquelle (+Ref) verbunden ist. Die Klemme El ist wiederum über einen Filter F und einen Widerstand Rl mit der Klemme TE3 des Verstärkers A1 verbunden, bei dem es sich wieder wie im Falle der Schaltung nach F i g. 1 um einen potentiometrischen Verstärker handelt. Eine geeignete Quelle einer stabilen negativen Bezugsspannung (—Ref) ist mit Hilfe eines einstellbaren Widerstandes R2 mit der Klemme TE 3 des potentiometrischen Verstärkers verbunden. Es versteht sich, daß die beiden Bezugsspannungsquellen gegeneinander ausgetauscht werden können. Die Wirkungsweise der Schaltung ist unter Hinweis auf die Schaltung nach F i g. 1 verständlich.

Der erfindungsgemäße Wandler arbeitet auch einwandfrei mit Hilfe eines Funktionsverstärkers, wie er in F i g. 4 veranschaulicht ist. Der hier dargestellte Funktionsverstärker A10 ist als Integrationsverstärker ausgebildet und weist deshalb in bekannter Weise einen parallelgeschalteten Integrationskondensator C auf. Bei dieser Anordnung ist in den Eingangskreis des Verstärkers ein Kalibrierwiderstand R3 eingeschaltet und gemeinsam mit diesem Widerstand auch der Widerstand Rl der Rückkopplungsschleife. Ein Verstärker dieser Art hat gewisse Vorteile gegenüber einem potentiometrischen Verstärker, die darin bestehen, daß eine integrierende Anordnung dazu

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benutzt werden kann, die Filterung zu verbessern. Obwohl ein Funktionsverstärker einen geringeren Eingangswiderstand hat als ein potentiometrischer Verstärker, ist ein Funktionsverstärker im allgemeinen leichter als ein potentiometrischer Verstärker herzustellen.

Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5 wird von einem Funktionsvei stärker und einer Schaltung zur Erzeugung einer Referenzspannung Gebrauch gemacht, die der Vorrichtung nach F i g. 3 im wesentliehen gleicht. Der Kollektor des Schalttransistors SWl ist mit Masse und der Kollektor des Schalttransistors SWl mit einer positiven Bezugsspannungsquelle verbunden. Bei dieser Anordnung sind der Eingangswiderstand R3, der Rückkopplungswiderstand Rl und der Widerstand Rl zum Ankoppeln der negativen Bezugsspannung gemeinsam mit dem Eingang des Funktionsverstärkers A10 verbunden. Der Funktionsverstärker in den Schaltungen nach den F i g. 4 und 5 hat einen üblichen Aufbau, so daß eine Beschreibung von Einzelheiten dieses Verstärkers als unnötig angesehen wird.

Im Hinblick auf die Bezugsspannungsquellen der Schaltungen nach den F i g. 3 und 5 sei erwähnt, daß sowohl eine positive als auch eine negative Bezugsspannung nur dann benötigt werden, wenn bipolare Eingangssignale vorkommen. Wenn ein anderes als ein bipolares Eingangssignal vorliegt, ist die Verwendung nur einer einzigen Bezugsspannungsquelle möglich, gegen die einer der Schalttransistoren anarbeiten muß. In diesem Falle würde die andere Referenzspannungsquelle eine sehr geringe und konstante Belastung bilden und könnte beispielsweise durch die Spannung an einer Zenerdiode gebildet werden.

Die vorstehend beschriebenen und dargestellten Vorrichtungen können alle in Spannungs-Zeit-Wandler verwandelt werden, indem ein spannungsgesteuerter Oszillator vorgesehen wird, der eine Spannung in Zeit umsetzt. Dies erfordert eine Änderung der Rückkopplungsschaltung. Hierzu würde es gehören, die durch Untersetzen des Quarzoszillators gebildete Zeitspanne länger zu machen als die veränderliche Zei/spanne, die von dem spannungsgesteuerten Oszillator bestimmt ist, d. h., daß die Zeit ti nun länger sein muß als die längste zu erwartende Zeit ti. Bei dieser Anordnung bestimmt dann der Quarzoszillator eine bekannte Signalfrequenz und der spannungsgesteuerte Oszillator das Tastverhältnis. Die Vorrichtung kann beispielsweise so ausgelegt sein, daß sie eine Spannungs-Zeit-Wandlung zwischen 100 bis 300 ms für Eingangsspannungen bewirkt, die zwischen der positiven maximalen Spannung und der Spannung Null bzw. der maximalen negativen Spannung liegen. Die Frequenz des Quarzoszillators kann so gewählt sein, daß eine Gesamtperiode von 400 ms Dauer an den Schaltern erzielt wird, was unter den genannten drei Bedingungen ein Tastverhältnis von 0,25, 0,5 und 0,75 zur Folge hat. Die verschiedenen Anordnungen, die bei der Schaltung zur Spannungs-Frequenz-Wandlung zur Erzeugung der Referenzspannungen benutzt worden sind, sind in gleicher Weise bei der Vorrichtung zur Spannungs-Zeit-Wandlung anwendbar.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern Abweichungen davon möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Bei solchen Abweichungen können einzelne der Erfindungsgemerkmale für sich oder mehrere in beliebiger Kombination Anwendung finden.

Claims (10)

Patentansprüche :

1. Spannungs-Frequenz-Wandler mit einem Verstärker, dem das Eingangssignal zugeführt wird, einem an den Ausgang des Verstärkers angeschlossenen, das Ausgangssignal liefernden spannungsgesteuerten Oszillator und einer Stabilisierungsschaltung, die eine mittels einer Schaltanordnung in Abhängigkeit von der Frequenz des Ausgangssignals getastete Referenzspannungsquelle zur Erzeugung eines Steuersignals enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsschaltung eine vom Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators {VCO) auf den Eingang des Verstärkers (A 1) zurückgeführte Rückkopplungsschleife bildet und die Referenzspannungsquelle (RSC) intermittierend mit dem Eingang des Verstärkers (A 1) gekoppelt wird, so daß dem Verstärker (Al) außer dem Eingangssignal eine von dem Tastverhältnis der Referenzspannung abhängige mittlere Gleichspannung zugeführt wird.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) verbundene Schaltanordnung (FDC, SD) einen von dem Oszillator gesteuerten Generator (FD 1), der veränderliche Taktsignale mit von der Frequenz des Oszillators abhängiger Dauer erzeugt, und einen Generator (XO, AG, FDl) umfaßt, der Taktsignale bestimmter, unveränderlicher Dauer erzeugt, und daß diese beiden Taktsignale zur Steuerung der Ankopplung der Referenzspannungsquelle (RSC) verwendet sind.

3. Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Taktsignale verschiedene Dauer aufweisen und die Signale längerer Dauer die Frequenz bestimmen, mit der sich die Ankopplung der Referenzspannungsquelle (RSC) wiederholt, wogegen die Signale geringerer Dauer die Zeitdauer der Ankopplung bestimmen.

4. Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der unveränderlichen Taktsignale geringer ist als die Dauer der veränderlichen Taktsignale.

5. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle (RSC) sowohl eine positive als auch eine negative Referenzspannung liefert und beide Referenzspannungen im Taktverhältnis der beiden Taktsignale abwechselnd mit dem Eingang des Verstärkers (A 1) verbunden werden.

6. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (A 1) zwei Eingänge (TEl und TEl, TE3) aufweist und das Eingangssignal einem dieser Eingänge (TEl) zugeführt wird, wogegen die Referenzspannung an den anderen Eingang (TEl, TE3) angelegt ist.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangskreis des Verstärkers (Al) von einem Unterbrecher (Q7) gebildet wird und die Referenzspannung dem Unterbrecher zugeführt wird.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Treiberstufe (FC) für den Unterbrecher (QT) vorgesehen ist.

9. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (A 1) eine im wesentlichen reaktanzfreie Rückkopplung aufweist.

10. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (FD 1) variabler Taktsignale von einem ersten Frequenzteiler, der mit dem Ausgang (TET) des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) verbunden ist, und der Generator fester Taktimpulse von einem Festfrequenzoszillator (XO) und einem zweiten Frequenzteiler (FD 2) gebildet wird, daß die Schaltanordnung (FDC, SD)

ίο

weiterhin einen bistabilen Treiber (FSD) mit zwei Ausgängen (S5 und S6) und einen an die Ausgänge angeschlossenen Ausgangsschalter (OS) umfaßt, daß der eine Eingang (Kl) des Treibers an den ersten Frequenzteiler (FD 1) und der zweite Eingang (/3) des Treibers an den zweiten Frequenzteiler (FDTi) angeschlossen ist und der Treiber von diesen Frequenzteilern gesteuert wird und daß zwischen den Festfrequenzoszillator und den zweiten Frequenzteiler ein Gatter (AG) eingeschaltet ist, das mit einem Ausgang (SS) des Treibers (FSD) verbunden und von diesem gesteuert wird, um den Festfrequenzoszillator (XO) mit dem zweiten Frequenzteiler (FD 2) zu verbinden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.