DE1914853A1 - Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-Wandler - Google Patents

Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-Wandler

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DE1914853A1 DE19691914853 DE1914853A DE1914853A1 DE 1914853 A1 DE1914853 A1 DE 1914853A1 DE 19691914853 DE19691914853 DE 19691914853 DE 1914853 A DE1914853 A DE 1914853A DE 1914853 A1 DE1914853 A1 DE 1914853A1
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Description

19U853
Fall H 69 18. 7. 1968
Patentanwalt
Dr.-.'n-j. Alfred Schulze
1 Berlin 31, Jenaer Str. 14
Tel.; 2133546
;: D I S ä GYR AG., ZuG (Schweiz)'
Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-Wandler
Die Erfindung betrifft einen Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-λanaler mit einem Operationsverstärker, dessen Eingang über einen Kondensator an den Ausgang gekoppelt ist und welchem beim Ansprechen eines dem Operationsverstärker nachgeschalteten Schwellenschalters ein von einem Stromgenerator erzeugter Impuls konstanter Ladung zugeführt wird.
Zur Umformung einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes in eine proportionale Frequenz· sind zahlreiche Methoden bekanntgeworden.
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BAD ORDINAL
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Bekannte elektronische Lösungen arbeiten meistens „ach dem rrinzip der Aufladung eines Kondensators durch einen .~ess; irtproportionalen Gleichstrom. Hierzu ist es bekannt, den Kondensat:* beim ueberschreiten eines Schvellvertes kurzzeitig zu er.tia:'.■;--f was mit einer verhältnisrnässig einfachen Schaltungsanordnung realisiert werden kann. Infolge der endlichen äntladezeit ist jedoch die Genauigkeit derartiger Wandler begrenzt.
3u ist ferner bekannt, die ladung des Zondenaator.. be is Ueberschreiten eines Schvellv/ertes rr.it Impulsen konstanter ladunr zu kompensieren, wozu bisher ein aus eir.e~ Stromgenerator und eine." raonostabilen Multivibrator bestehender Ladunrs^er. engenerator verv;endet wurde. Die Grenzen der erzielbaren Messrenauigkeit sind dabei hauptsächlich durch die zeitbestiimnenden RO-Glieder des rnonostabilen I-Iultivibrators gesetzt. Auch die besten auf dem Karkt erhältlichen RC-Glieder weisen für viele Anwendungen eino ungenügende Langzeitstabilität auf und sind entsprechend teuer.
Die Nachteile der bekannten Einrichtungen werden erfindungsgesiäss dadurch behoben, dass der Stromgenerator jeweils während der nächsten, nach dem Ansprechen des Schwellenschalters folgenden Periodendauer einer von einem Impulsgenerator erzeugten Impulsfolge an den Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist.
Durch diesen Schaltungsaufbau wird mit sparsamsten Mitteln eine optimale Messgenauigkeit erzielt. Impulsgeneratoren zur Erzeugung
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BAD ORIGINAL
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einer Impulsfolge. mit äussert konstanter Frequenz können auf einfache Weise realisiert werden, insbesondere dadurch, dass die Frequenz des Impulsgenerators von der Frequenz der Netzspannung eines Snergieverteilnetzes abgeleitet ist.
Weitere Einzelheiten ergeben sich, aus den nachfolgend anhand der Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Spannungs-
Frecuenz-Wandlers und
Fig. 2 ein Prinzi'pschaltbild eines Impulsgenerator.
In der Fig. 1 ist eine Kessspannung XL über einen widerstand 1 an den Eingang 2 eines Operationsverstärkers 3 geführt, dessen Ausgang 4 einerseits über einen Kondensator 5 mit des Eingang 2 und andererseits mit dem Eingang 6 eines Schvellenschalters 7 verbunden ist. Sine Xasseleitung 8 des Operationsverstärkers 3 istan Nullpotential gelegt. Ein Ausgang 9 des Schwellenschalters 7 ist an einen Vorbereitungseingang 10 einer bistabilen Kippstufe angeschlossen, deren'Ausgang 12 den Ausgang der Schaltungsanordnung darstellt. Ein Triggereingang 13 der bistabilen Kippstufe 11 ist mit einer Klemme 14 eines Impulsgenerators 15 verbunden, dessen Klemme 16 an Ivulipotential liegt* Der Impulsgenerator 15 erzeugt eiiie Impulsfolge mit der Periodendauer T .
. beispielsweise/
Ein Stromgenerator 17 besteht/im wesentlichen aus einer durch eine Referenz-Zenerdiode 18 und eine Diode." 19 gebildeten Reihenschaltung,
9 0 9 8 8 4 / 1 /+ 5 P
BADORJGfNAL
welche einerseits am Nullpotential·, andererseits über einen Widerstand 20 an einer Spannung U„ und über einen weiteren Widerstand^ 21 an einer Ausgangsklemme 22 angeschlossen ist.
. ■ -' ίί Die Ausgangsklemme 22 des Stromgenerators 17 ist mit dem Kollektor eines Schalttransistors 23 verbünden, dessen Emitter an Nullpotential liegt und dessen Basis am Ausgang 12 der bistabilen Kippstufe 11 angeschlossen ist. Ferner ist die Ausgangsklemme 22 über eine Diode 24 mit dem Eingang 2 des Operationsverstärkers 3 verbunden. Die Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung der Diode 24 wird mittels der Diode 19 kompensiert.
Der beschriebene Spannungs-Frequenz-Wandler arbeitet wie folgt; Im Widerstand 1 fliesst ein der Messspannung U1 proportionaler Strom I1 , der den Kondensator 5 auflädt. Die Spannung Up am Ausgang 4
· positiv/
des Operationsverstärkers 3 steigt/linear an. Bei kleinen Spannungswerten von U2 befindet sich der Schwellenschalter 7 im nicht angesprochenen Zustand, und am Vorbereitungseingang 10 liegt ein Sperreignal, das die bistabile Kippstufe 11 daran hindert, auf die vom Impulsgenerator 15 abgegebenen Impulse anzusprechen. Die bistabile Kippstufe 11 liefert an den Schalttransistor 22 einen Basisstrom, weshalb der Schalttrahsistor 23 gesättigt iBt und der konstante Strom 1Q des Stromgenerators 17 gegen Üfullpötfcntial abgeleitet wird. Die Diode 24 ist gesperrt.
Sobald die Spannung U2 den Schvellwert des SchwelleniöWLterÄ 7 überschreitet, spricht dieser an und die bistabile Kippstufe wird
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ORlQiNAL INSPECTED
_ι 5 V1 ' ^ ·-' · ' 1469
freigegeben. Beim nächsten Impuls, der am Triggereingang 13 eintrifft, kippt die bistabile.. Kippstufe 11, der Schalttransistor 23 sperrt und der Strom I fliesst über die Diode 24 an den Eingang 2, wodurch der Kondensator 5 entladen wird. Beim nachfolgenden, vom Impulsgenerator 15 abgegebenen Impuls kippt die-bistabile Kippstufe 11 in den ursprünglichen Zustand zurück, da der Schwellenschalter infolge der Entladung des Kondensators 5 inzwischen ebenfalls zurückgekippt ist. Der Transistor 23 wird wieder leitend und der Vorgang beginnt von neuem. · ·
Der Stromgenerator 17 ist also jeweils während der nächsten, nach dam. Ansprechen des Schwellenschalters 7 folgenden Periodendauer T an den Eingang 2 des Operationsverstärkers 3 geschaltet. Wird vorerst davon abgesehen, dass die an den Eingang 2 gelieferten Impulse in bezug auf den Ansprechzeitpunkt des Schwellenschalters 7 um einen zwischen den Grenzen Null und T statistisch schwankenden
Wert verzögert sind, so gilt für die Ausgangsfrequenz f der entstehenden Sägezahnspannung U» die bekannte Beziehung
f -
8. I0
wobei R den: Widerstandswert des Widerstandes t bedeutet* }
Infolge der- statistisch schwankenden Verzögerung der an den Ein-» gaög 2 abgegebenen Impulse schwankt die Frequeng t bf JL konstant er Messgrösse U, um einen konstanten Mittelwert. Diese Schwankungen sind umso kleiner f je-besser die Bedingung T >> TQ erfüllt is^, wobei 5 = 3 die ieriodenäauer der Ausgaixgsimpülse des Spannungs-Frequenz-Wandlers bedsutet, -"909β84/1Α88
E^DORIQiNAL ·/·
Soil die Ausgangsfrequenz f während einer verhältnismässig kurzen Zeit -unmittelbar gemessen werden, so muss die Bedingung T » T gut erfüllt sein. In den meisten Anwendungsfeilen wird jedoch nur der über eine längere Periode betrachtete zeitliche Mittelwert" der Ausgangsfrequenz f ausgewertet. Dies ist beispielsweise bei der elektronischen Messung elektrischer Energie der Fall, wo die Ausgangsfrequenz f der verbrauchten elektrischen Leistung proportional ist und die Energie durch Zählung der Ausgangs impulse des Sparmunirs-Frequenz-Wandlers ermittelt wird. Bei derartigen Systemen kennen statistische Schwankungen der Ausgangsfrequenz f mit genügender Genauigkeit vernachlässigt werden, so dass einzig die "Forderung
max
erfüllt sein muss, wobei f der Maximalwert der Ausgangsfrecuens f bedeutet. .
Für die Periodendauer I werden vorteilhaft grosse V/erte angestrebt, weil dadurch kleine Werte für I erzielt werden und eine geringe Bandbreite des Operationsverstärkers 5 zulässig ist. Es hat sich gezeigt, dass optimale Verhältnisse dann vorliegen, wenn die Frequenz der vom Impulsgenerator 15 abgegebenen Impulse kleiner ist als der zehnfache Wert der maximalen Ausgangsfrequeiiz des Spamyuiigs-
Frequenz-Wandlers.
Die Vorbereitüngseingänge bekannter bi'stiabiler Kippstufen besitzen, in der Regel Sghwellwerteigenschsften. Wenn der Schwellwert einer ■ derartigen Kippstufe genügend stabil ist, besteht die Möglichkeit, ' den'Schwellenschalter 7 wegzulassen. 909884/1458
BAD
-- 7 - H69
19H853
,--Is bistabile Kippstufe 11 eignet sich vorzüglich eine in der
Digitaltechnik unter dem Kamen D-Type-Flip-Flop bekanntgewordene Schaltungsanordnung. Eine derartige Kippstufe besitzt ausser dem Triggereingang einen sogenannten D-Eingang. Bei einem dem Triggereingang zugeführten Impuls speichert die Kippstufe das am D-Eingang anstehende logische Signal. Die Verwendung einer derartigen bistabilen Kippstufe beim beschriebenen Spannung-Frequenz-Wandler - der D-Eingang dient als Vorbereitungseingang 10 - hat den Vorteil, dass die Kippstufe nach einer z.B. durch einen Störimpuls auftretenden Fehlschaltung wieder den richtigen logischen Zustand einnimmt, sobald am Triggereingang der nächste vom Impulsgenerator 15 abgegebene Impuls eintrifft.
Als Impulsgenerator 15 kann vorteilhaft ein quarzstabilisierter Oszillator verwendet werden, wodurch mit einfachen Hitteln eine kaum überbietbare Konstanz der Impulsdauer T erzielt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, dass die Frequenz des Impulsgenerators von der Frequenz der Netzspannung eines Snergieverteilnetzes abgeleitet ist. Bekanntlich arbeiten die Elektrizitätswerke ganzer Länder oder
Kontinente im Verbundbetrieb* Die Äetzfrecuenz führt zwar auch
im Verbundbetrieb kurzzeitige statistische Schwankungen aus, gemitielt über eine längere Zeitperiöde ist sie jedoch Behr stabil. Messungen haben beispielsweise eine mittlere Sollwert-Abweichung .von Ο* 1 Promille ergeben. Die Netzfrequenz darf deshalb als genügend genaues Seitnormal betrachtetwerden.
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BAP ORIGINAl ./,
t · · « f I i
t *
- 8 - " -" 1469
In der Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild eines Impulsgenerators dargestellt, dessen Frequenz von der .Wetzfrequenz eines Energie-' verteilnetzes 25 abgeleitet ist. Die Netzfrequenz ist über ein » •Tiefpassfilter 26, das als Störspannungsschutz und zum Heraus- *; . sieben von Oberwellen dient, aus dem Energieverteilnetz 25 aus- ' ■' gekoppelt und einer Impulsformerstufe 27 zugeführt, welche die sinusförmige Singangsspannung in eine Impulsspannung umformt. Da- . . zu kann beispielsweise ein sogenannter Schmitt-Trigger verwendet * werden. Zur Verdoppelung der Impulsfrequenz kann ferner der Impulsformerstufe 27 ein Zweiweggleichrichter vorgeschaltet sein.
Ein im wesentlichen aus Transistoren 28 und 29, Kollektorwider-, ständen 30 und 31, Koppelkondensatoren 32 und 33 und Basiswider- r h
\ ständen 34 und 35 bestehender astabiler Multivibrator 36 ist von r'-\._ j der Spannung U^ gespeist. Die Basis-Emitterstrecke des Transistors : j 28 ist über eine Diode 37 an den Ausgang der Impulsformerstufe 27 ίΛ
angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 29 bildet die in der 1I; f Fig. 1 mit 14 und der Emitter die mit 16 bezeichnete; Kl-emme des .
Impulsgenerators 15. . · : -
Ss wird nun beispielsweise angenommen, die Hetzfrequenz sei 50 Hz und die gewünschte Periodendauer TQ betrage 2 Millisekunden bzv. t die Frequenz des Impulsgenerators 500 Hz. Die zeitbestimmenden ! Elemente 32 bis 35 sind derart dimensioniert, dass der astabile Iiultivibrator 36 etwas langsamer als mit 500 Hz schwingen möchte. · ■ . Nach jeder zehnten Schwingung wird aber der TrÄnsiSto*· 28 über ' die Diode 37 gesperrt, bevor er nach dem der Schaltung innewohnen-
909884/U58 ..
OIRIöiNAL iNSPPCTED ./. '*
*.'g 1- l '-' "" 1469
19U853
den 2eitgesetz selber sperren möchte. Jede zehnte Periodendauer
ist also etwas kürzer als die anderen; die mittlere Periodendauer T beträgt jedoch infolge der Synchronisation mit der Netzfrequenz genau 2 Millisekunden.
Selbstverständlich kann auch ein andersartiger netzsynchronisierter Oszillator Verwendung finden. Ein astabiler Multivibrator weist jedoch den Vorteil besonderer Einfachheit auf und kann, da er Rechtecksignale mit verhältnismässig grossem Snergieinhalt abgibt, unmittelbar an den Triggereingang 13 (Fig· 1) angeschlossen werden.
Die von der Impulsformerstufe 27 abgegebenen Impulse können unmittelbar zur Triggerung der bistabilen Kippstufe 11 verwendet werden, wenn die maximale Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Wandlers kleiner ist als die Ketzfrequenz.
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Claims (1)

  1. [ 1 J Spannungs- bzw. Strom-Prequenz-V/andler mit einem Operationsverstärker, dessen Eingang über einen Kondensator an den Ausgang gekoppelt ist und welchem beim Ansprechen eines dem Operationsverstärker nachgeschalteten Schwellenschälters ein von einem Stromgenerator erzeugter Impuls konstanter ladung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (17) jeweils während der nächsten, nach dem Ansprechen des Schwellenschalters (7) folgenden Periodendauer einer von einem Impulsgenerator (15) erzeugten Impulsfolge an den Eingang (2) des Operationsverstärkers (3) geschaltet ist.
    2. Spannungs bzw. Strom-i'requenz-Wajüäler nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator (15) an ' den ü?riggereittgang (15) einer den Stromgenerator (17) steuernden bistabilen Kippstufe (11) und ein Vorbereitungsein- gang (10) derselben unmittelbar oder über einen Schwellen-"
    909884/1458" ·/·
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    schalter (7) au.Ausgang" (4) des Operationsverstärkers (3) angeschlossen ist. ·
    3. Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bistabile Kippstufe (11) ein D-Type-Flip-Flop ist.
    4. Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator (15) ein quarzstabilisierter Oszillator ist.
    5· Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-Wandler nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Impulsgenerators (15) von der Frequenz der Netzspannung eines Energieverteilnetzes (25) abgeleitet ist.
    6. Spannungs- bzw..Strom-Frequenz-Wandler nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet» dass der Impulsgenerator (15)
    durch eine von der Netzspannung gesteuerte Impulsformer-
    BtUfe (27) gebildet ist. !
    ?. Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-Wandler nach Anspruch.
    5. dadurch gekennzeichnet,, dass der Impulsgenerator (15) :
    der Ketzspannung $3^Piöhronisierter Oszillator (34) !
    . 19U853
    . - 12 - 1469
    8. Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-V/andler nach. Anspruch. 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (34) ein astabiler Multivibrator ist.
    9. Spannungs- bzw. Strom-ITrequenz-ifandler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Oszillator (34) eine Impulsformerstufe (27) vorgeschaltet ist.
    10. Spannungs- bzw. Stroin-?requenz-V/andler nach, einem der Ansprüche 5 bis S, dadurch gekennzeichnet, dass die Hetzspannung über ein {Tiefpassfilter (26) aus dem Energieverteilnetz (25) ausgekoppelt ist.
    11. Spannungs- bzw. Strom-Frequenz-Wandler nach, einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenz der Hetzspannung mittels eines Zweiweggleichrichters verdoppelt ist.
    12. Spannungs- bzw. Strom-Frequena-Wandler nach Anspruch oder einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der vom Impulsgenerator (15) abgegebenen Impulse kleiner ist als der zehnfache Wert der maximalen Ausgangsfrequenz des Spahnungs-bzw, Strom-Frequenz-Wandlers,
    Hll/sg
    909884/1458
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