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Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer elektrischen Spannung in
eine der Spannung proportionale Frequenz Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Umwandlung einer elektrischen Spannung in eine der Spannung proportionale Frequenz,
bei der die umzuwandelnde Spannung als Eingangsspannung einem Integrator zugeführt
wird, dessen Ausgangsapannung mit einer von der Höhe der Eingangsspannung abhängigen
Geschwindigkeit ansteigt oder abfällt und die einem Verstärker zugefUhrt wird, der
mit einer Schwellspannung vorgespannt ist und dann, wenn die linear ansteigende
oder abfallende integrierte Spannung gleich der Schwellspannung ist, einen Ausgangs
impuls abgibt, der an den Integrator zurUckgefUhrt ist und diesen zurUckstellt.
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Derartige bekannte Spannungeirequenzwandler arbeiten nur bei Frequenzen
unter etwa 1 kHz verhältnismäßig genau,
wobei ein Linearitätsfehler
von 1 x 10-3 angenommen werden kann. Oberhalb dieser Frequenz nimmt die Linearitätsabweichung
beträchtlich zu, und zwar deshalb, weil die Rückstellzeit des Integrators gegenüber
der Integrationszeit des Integrators bis zur RUckstellung nicht mehr vernachlässigbar
ist. Da sich die Impulsfolgefrequenz durch die Integrationsdauer bis zur Rdckstellung
und durch die Rückstellzeit bestimmt, nimmt der Anteil der im wesentlichen konstanten
Rdckstellzeit an der gesamten Periodendauer eines Impulses mit zunehmender Frequenz
zu. Da die Rückstelldauer durch die Schaltelemente bestimmt ist und nicht beliebig
klein gemacht werden kann, nimmt die Linearität in der genannten Weise stark ab,
wenn die Rückstellzeit gegenüber der Integrationszeit nicht mehr vernachlässigbar
ist. Bei den üblichen Bauelementen liegt die Grenze der Riickstellzeit bei etwa
1 MB. Bei einem Linearitätsfehler von 1 x 10-3 3 ergibt sich somit eine maximale
Frequenz von 1 kHz.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Umwandlung einer Spannung in eine der Spannung proportionale Frequenz unter
Anwendung des bekannten Integrationsprinzips so zu verbessern, daß der Arbeitsbereich
auf Frequenzen weit Uber 1 kHz bei gleichbleibender Linearität erweitert wird, ohne
daß dadurch der Auiwand der Sobaltungsanordnung wesentlich vergrößert wlrd.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß
die umzuwandelnde Spannung über einen Widerstand
gegensinnig mit
der Schwellspannung gekoppelt ist, derart, daß mit ansteigendem Absolutwert der
umzuwandelnden Spannung der Absolutwert der Schwellspannung verringert wird.
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Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre wird ein Kompensationseffekt
erzielt. Indem die umzuwandelnde Spannung gegensinnig auf die Schwelispannung des
die Rtickstellimpulse erzeugenden Verstärkers einwirkt, wird die Schwellspannung
mit zunehmender umzuwandelnder Spannung verringert. Dadurch erfolgt das Ansprechen
des die REckstellimpulse erzeugenden Verstärkers bereits bei einem niedrigeren Spannungswert
des Integrators. Die Folge davon ist eine frtihere REckstellung des Integrators,
wodurch sich eine schnellere Wiederholung der Integrationsvorgänge und somit eine
Erhöhung der abgegebenen Impulsfrequenz ergibt.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert
werden.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung, Fig. 2 zeigt in grafischer Darstellung den Verlauf der Ausgangsspannung
des Integrators Fig. 3 zeigt in grafischer Darstellung die Abahängigkeit der abgegebenen
Frequenz von der umzuwandelnden Eingangsspannung bei den bisher bekannten und bei
dem erfindungsgemäßen Wandler.
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Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Die umzuwandelnde Spannung
wird als Eingangs spannung U e dem Eingang des erfindungsgemäßen Wandlers zugeführt.
Vom Eingang gelangt die Eingangsspannung U e Uber einen Widerstand R an den Eingang
eines invertierenden Verstärkers V1. Der Verstärker V1 ist durcb einen Integrationskondensator
Ck überdrückt. Verstärker V1, der Widerstand R und Integrationskondensator 0k bilden
zusammen in bekannter Weise einen Integrator, derart, daß bei Anliegen der Eingangsspannung
Ue die Ausgangsspannung U2 an dem Verstärker V1 in dem interessierenden Arbeitsbereich
Je nacb Polarität der Eingangsspannung Ue linear ansteigt bzw. abfällt.
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Der Ausgang des Verstärkers V1 ist mit der einen Eingangsklemme eines
Verstärkers V2 verbunden, dessen andere Eingangsklemme am Abgriff eines aus Widerständen
R1 und R2 gebildeten Spannungsteilers liegt, der an eine Beziigsspannungsquelle
Uref angeschlossen ist. Auf diese Weise ist der Verstärker V2 mit einer Schwellspannung
vorgespannt. Der Verstärker V2 ist durch einen Kondensator CR rUckgekoppelt.
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Am Ausgang des Verstärkers V2 wird dann ein Uber der Ausgangsklemme
dargestellter Spannungsimpuls erzeugt, wenn die Ausgangsspannung U2 des Verstärkers
gleich der Schwellspannung U1 ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers V2 ist an
die Steuerelektrode eines Transistors T geführt,
der bei Erscheinen
des Ausgangs impulses in den leitenden Zustand versetzt wird und so den Integrationskondensator
Ck entlädt. Die Entladezeit ist dabei durch die Schaltungewiderstände und Schaltungskapazitäten
bestimmt. Ist der Integrationskondensator Ck entladen, 50 ist auch die Spannung
U2 wieder aui den Wert 0 zurückgekehrt. Die Folge davon ist, daß die Ausgangs spannung
U2 des Verstärkers V1 kleiner wird als die Schwellspannung U1, vorzugsweise auf
0 absinkt. Dadurob wird auch der von dem Verstärker V2 abgegebene Impuls und als
Folge davon auch die Entladung des Integrationskondensators Ak beendet. Danach wiederholt
sich fortlaufend der gleiche Zyklus, und zwar mit einer Frequenz, die im wesentlichen
von der Höhe der Eingangsspannung Ue bestimmt ist und von der die Anstiegsgesebwindigkeit
der Spannung U2 abhängt.
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Fig. 2 verdeutlicht den Verlauf der Spannung U2 in Abahängigkeit
von der Zeit t. Die Rtlckstelldauer des Rückstellimpulse ist mit T0 bezeichnet,
während die Ladedauer des Kondensators mit T1 bezeichnet ist.
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Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Frequenz f der abgegebenen Impulse
in Abhängigkeit von der Höhe der Eingang spannung Ue in ausgezogener Linie.
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Aus den Fig. 2 und 3 ist nach allgemeinen Regeln zu entnehmen, daß
die Prequens f der abgegebenen Impulse umgekehrt proportional den beiden Zeiten
T1 und T0 ist. Ei gilt also:
Da die Integrationszeit T1 mit zunehmender Eingangaspannung Ue abnimmt, ergibt sich,
wenn k ein konstanter Umsetzungsfaktor ist, T1 = k/U e Damit ist
Ist die Eingangsspannung Ue gering, so ist die Integrationszeit T1 sehr groß und
damit wesentlich größer als die RUokstellzeit T0. Ist also: T0 # T1 so gilt: U f
= e/k = k x Ue Ist Jedoch T0 nicht wesentlich kleiner als T1, weil 1 wegen anliegender
hoher Eingangsspannung Ue sehr kurz und/oder T0 wegen der vorhandenen Schaltwiderstände
und -kapazitäten nicht genügend klein ist, so gilt die Beziehung T0 # T1 nicht mehr,
und es ergibt sioh eine nichtlineare Abhängigkeit zwischen der Eingangsspannung
Ue und der abgegebenen Impulsfrequenz f, wie das in Fig. 3 dadurch das rechte Ende
der ausgezogenen Kurve verdeutlicht ist.
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Dieser Nichtlinearität wirkt nun der entsprechend der Lehre der Erfindung
bei der Schaltung gemäß Fig. 1 eingeführte Widerstand Rk entgegen, silber den die
Eingangsspannung Ue mit der Schwellspannung U1 gegensinnig verbunden ist.
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Durch den Widerstand Rk wirkt somit die zunehmende Eingangsspannung
U e der Sohwellspannuag U1, die umgekehrte Polarität hat, entgegen, wobei zu bemerken
ist, daß der Innenwiderstand der Sohwellspannung U1 eine solche Wirkung zuläßt.
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Der Innenwiderstand der Schwellspannung U1 ist vor allem durch die
einen Spannungsteiler bildenden Widerstände R1 und R2 bestimmt.
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Wird also bei zunehmender Eingangsspannung Ue die Schwellspannung
U1 verringert, so spricht der Verstärker V2 bereits bei einem niedrigeren Wert der
Spannung U2 am Ausgang des Verstärkers V2 an, so daß auch die Erzeugung eines Rückstellimpulses
und damit die Rückstellung bzw. Entladung des Integrationskondensators Ck vorzeitig
erfolgt. Schnellere RAckstellung bedeutet Jedoch kürzere Periodendauer und entsprechend
höhere Frequenz. Die Einschaltung des Widerstandes Rk gemäß der Erfindung bewirkt
also eine Erhöhung der Frequenz der abgegebenen Impulse.
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Fur die Änderung der Schwellspannung U1 durch den Widerstand Rk,
der einen Strom Ii in der angegebenen Pfeilrichtung fließen läßt (Fig. 1), gelten
die folgenden Beziehungen, wobei K1 der Kehrwert der Integrationszeitkonstante des
Integrators ist.
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U1 = -T1 # K1 # Ue U1 = -I2 # R1 + I1 # R1 Für I # ## und U # U ist
U Ue U1 = I2 # R1 + # R1 Rk Dann gilt:
Für die Frequenz der Rückstellimpulse gilt damit:
Wählt man nun
so erhält man eine vollständige Kompensation der Rückstellzeit, und es ergibt sich:
Die Bedingung Ue # U1 läßt sich in der Schaltung ganz einfaoh dadurch realisieren,
daß ein Verstärker mit hohem Ausgangswiderstand anstelle von Rk eingeschaltet wird.
Hohe Ausgangswiderstände lassen sich in bekannter Weise bei entsprechender
Schaltung
mit Transistoren realisieren. Für geringere Ansprüche genügt es, wenn #Ue/U1#>10
ist.
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Durch die erfindungsgemäße Kompensation läßt sich in der Praxis der
Linearitätsfehler eines Spannungsfrequenzwandlers mindestens um den Faktor 10 in
dem Frequenzbereich von ca. 1 kHz verringern. Darüber hinaus läßt sich der Frequenzbereich
der Ausgangs impulse bei der Verwendung üblicher Bauelemente auf Uber 100 kHz bei
einem Linearitätsfehler < 1 x 10-3 erweitern.
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Die gemäß Erfindung linearisierte Kurve für die Abhängigkeit der
Prequenz f von der Spannung Ue ist in Fig. 3 mit gestrichelter Linie dargestellt.