DE19653566A1 - Spannungsfrequenzwandler - Google Patents

Description

Der Zweck der Erfindung besteht darin, eine analoge Spannung einem Mikroprozessor als Eingangssignal zuzuführen. Hierzu ist der nachfolgend beschriebene Spannungsfrequenzwandler weitgehend in einem Mikroprozessor implementiert. Insbesondere sind die nachfolgend beschriebenen Komparatoren und der nachfolgend beschriebene invertierende Schalter mit offenem Drain-Anschluß als Teil des Mikroprozessors ausgeführt. Die Widerstände und Kondensatoren, die den Spannungsfrequenzwandler vervollständigen, sind als externe Beschaltung des Mikroprozessors vorgesehen. Der Mikroprozessor ist beispielsweise vom Typ PIC 16 C 622.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spannungs­ frequenzwandlers.

Das Eingangssignal V_in wird als analoge Spannung einem Anschluß RA0 zugeführt. Der Anschluß RA0 ist der invertierende Eingang eines ersten Komparators COMP1. Der Komparator COMP1 kann als invertierender Operationsverstärker mit einem sehr großen Verstarkungswert ausgeführt sein. Wenn die Spannung am invertierenden Eingang RA0 größer ist als die Spannung am nicht invertierenden Eingang RA2, dann nimmt das Ausgangs­ signal am Anschluß RA3 den Wert 0 an. Im gegenteiligen Fall nimmt das Ausgangssignal am Anschluß RA3 den logischen Wert 1 an, beispielsweise 5 Volt.

Das genannte Ausgangssignal bei RA3 wird über eine erste Ladeschaltung auf den invertierenden Eingang RA1 eines zweiten Koinparators COMP2 geführt. Die erste Ladeschaltung besteht nach Art eines Tiefpasses aus einem seriellen Widerstand R7 und einem parallel auf Masse geschalteten Kon­ densator C2. Die Zeitkonstante R7 C2 der ersten Ladeschaltung ist relativ groß im Vergleich zu der Zeitkonstante der später erläuterten zweiten Ladeschaltung.

Das Ausgangssignal des zweiten Komparators COMP2 wird auf einen invertierenden Schalter TR1 ausgegeben, d. h. der Gate-Anschluß des inver­ tierenden Schalters TR1 ist mit dem Ausgang des zweiten Komparators COMP2 verbunden. Der Source-Anschluß des invertierenden Schalters TR1 ist auf Masse gelegt. Am (offenen) Drain-Anschluß des invertierenden Schalters TR1 wird bei RA4 das Ausgangssignal des Spannungsfrequen­ zwandlers abgenommen. Das Ausgangssignal F_out wird einem Zähler TMR0 des Mikroprozessors zugeführt.

Eine zweite Ladeschaltung umfaßt einen Lade- und Entladekondensator C1, einen Widerstand R5, einen Widerstand R6 und eine Ladequelle CLK_out. Die Ladequelle CLK_out gibt beispielsweise einen Impulszug ab, der aus dem Mikroprozessor stammt und mit dem der Kondensator C1 aufgeladen werden kann. Hierzu ist die Ladequelle CLK_out zunächst mit dem Drain-Anschluß RA4 des invertierenden Schalters TR1 verbunden, der auch das Ausgangs­ signal F_out liefert. Der Drain-Anschluß RA4 mit dem frequenzmodulierten Ausgangssignal F_out ist über den Widerstand R5 mit dem Lade- und Entla­ dekondensator C1 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators C1 ist geerdet. Der nicht geerdete Anschluß des Kondensators C1 wird zurückge­ koppelt auf die nicht invertierenden Anschlüsse RA2 sowohl des ersten Komparators COMP1 als auch des zweiten Komparators COMP2.

Dieser in Fig. 1 schematisch dargestellte Spannungsfrequenzwandler funktio­ niert wie folgt. Es wird beispielsweise angenommen, daß eine kleine Ein­ gangsspannung V_in = 0,25 Volt an dem Eingangsanschluß RA0 liegt. Ferner wird angenommen, daß die Spannung an dem Lade- und Entladekondensator C1 zunächst 0 ist. Die Spannung am anderen Kondensator C2 sei etwas größer als 0, so daß der invertierende Eingang RA1 des zweiten Kom­ parators COMP2 überwiegt und die Ausgangsspannung des Komparators COMP2 den Wert 0 annimmt. Der invertierende Schalter TR1 ist dann nicht durchgeschaltet und sein offener Drain-Anschluß ist an der Ausgangsklemme RA4 aktiv. In diesem Schaltzustand des offenen Drain-Anschlusses RA4 pumpt die Ladequelle CLK_out Ladung in den Kondensator C1, und zwar über die Widerstände R6 und R5. In dem Maße, in dem die Ladung anwächst, erhöht sich die Spannung am Kondensator C1. Wenn die an­ steigende Spannung bei RA2 einen Wert von 0,25 Volt erreicht hat, wird sie die vorgegebene Eingangsspannung V_in = 0,25 Volt bei RA0 über­ steigen. Dies führt dazu, daß der Ausgang RA3 des ersten Komparators COMP1 von dem logischen Wert 0 auf den logischen Wert 1 schaltet. Dies führt über die Ladeschaltung R7, C2 zu einem rampenartigen Ansteigen der Spannung bei RA1. Im eingeschwungenen Zustand wird die Spannung bei RA1 relativ konstant sein. Zwar schaltet auch der Komparator COMP1 im Takt der Ausgangsfrequenz ständig von 0 nach 1 und zurück; jedoch wird wegen der großen Zeitkonstante R7.C2 die Spannung bei RA1 nur wenig um den Wert der Eingangsspannung V_in schwanken.

Sobald die bei RA2 ansteigende Ladespannung des Kondensators C1 den relativ stabilen Vergleichswert bei RA1 übersteigt, wird der Komparator COMP2 den Ausgangswert 1 annehmen und den invertierenden Schalter TR1 durchschalten, so daß der Drain-Anschluß RA4 auf das Massepotential 0 gezwungen wird. In diesem Schaltzustand ist die Ladequelle CLK_out von dem Kondensator C1 abgeschnitten und kann keine zusätzliche Ladung aufbringen. Nunmehr entlädt sich der Kondensator C1 durch den Widerstand R5.

Wenn die dann sinkende Spannung bei RA2 unter die Spannung am inver­ tierenden Eingang RA1 sinkt, schaltet der Ausgang des Komparators COMP2 wieder auf 0 und der offene Drain-Anschluß RA4 wird wieder aktiv. Dies führt dazu, daß die Ladequelle CLK_out wiederum Ladung in den Kondensa­ tor C1 pumpen kann und daß dessen Spannung ansteigt.

Das ganze Schaltspiel wiederholt sich und hält auf dem Kondensator C1 eine Gleichgewichtsladung und eine Spannung aufrecht, die um den Wert der Eingangsspannung V_in schwankt. Als Ausgangssignal F_out ergibt sich somit eine Serie von Impulsen. Ein Impuls erscheint, wenn der Kondensator C1 geladen wird und es liegt kein Impuls vor, wenn der Kondensator C1 entladen wird. Wenn das Ausgangssignal F_out auf einen Zähler TMR0 (nicht dargestellt) geführt wird, so kann die sich ergebende Frequenz dort eingele­ sen und im Prozessor zeitlich gemittelt werden. Dieser Mittelwert ist propor­ tional zu der Eingangsspannung V_in am Eingang RA0.

Für die Funktion des Spannungsfrequenzwandlers ist es wesentlich, daß der invertierende Schalter TR1 durch einen Schaltkreis mit offenem Drain-An­ schluß realisiert wird. Dies kann insbesondere mit Hilfe von Feldeffekt­ transistoren erreicht werden.

Es ist auch wichtig festzuhalten, daß die Frequenz nur dann der Eingangs­ spannung V_in exakt proportional ist, wenn es sich um eine niedrige Ein­ gangsspannung handelt. Der Grund liegt darin, daß die RC-Glieder exponen­ tielle Lade- und Entladekurven hervorrufen und daß die tatsächlichen An­ stiegs- und Abfallzeiten in dem linearen Abschnitt dieser exponentiellen Kurven liegen müssen. Dies trifft auf Eingangsspannungen zu, die klein sind im Vergleich zu dem logischen Pegel der Komparatoren. Der erfindungs­ gemäße Spannungsfrequenzwandler eignet sich deshalb ausgezeichnet zum Einlesen kleiner Analogspannungen in einen Mikroprozessor.

Claims (1)

1. Ein Spannungsfrequenzwandler, der umfaßt:

   • - zwei Spannungskomparatoren (COMP1, COMP2), die über eine erste Ladeschal­ tung (R7, C2) seriell verbunden sind,
   • - einen invertierenden Schalter (TR1), der dem zweiten Komparator (COMP2) nachgeschaltet ist und der an einem offenen Drain-Anschluß (RA4) ein Pulsaus­ gangssignal (F_out) erzeugt, und
   • - eine zweite Ladeschaltung (C1, R5, R6, CLK_out), die das Pulsausgangssignal (F_out) an dem offenen Drain-Anschluß (RA4) des invertierenden Schalters (TR1) auf die beiden seriell verbundenen Spannungskomparatoren (COMP1, COMP2) zurückkoppelt.