DE2117599C2

DE2117599C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Impulsfrequenz-Spannungsumsetzung

Info

Publication number: DE2117599C2
Application number: DE19712117599
Authority: DE
Inventors: Berthold Dipl.-Ing. 6380 Bad Homburg Wingbermühle
Original assignee: PIV Antrieb Werner Reimers GmbH and Co KG
Current assignee: PIV Antrieb Werner Reimers GmbH and Co KG
Priority date: 1971-04-10
Filing date: 1971-04-10
Publication date: 1982-11-11
Also published as: DE2117599A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Impulsfrequenzspannungsumsetzung, bei dem eine variable Eingangsfrequenz in eine proportionale Ausgangsgleichspannung überführt wird, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Iinpulsfrequenz-Spannungsumsetzer werden vielfach benötigt So bringen beispielsweise Drehzahlmessungen mit Impulsgebern Vereinfachungen durch den einfachen Anbau des Impulsgebers. Für analoge Regelungen, beispielsweise bei diesen Drehzahlmessungen, benötigt man im allgemeinen eine Gleichspannung, die der Impulsfrequenz proportional ist Zur Gewinnung e<ner solchen Gleichspannung benötigt man den impuisfrequenz-Spannumgsumsetzer.

Die übliche Arbeitsweise eines solchen Umsetzers beruht auf der Bildung von Impulsen konstanter Dauer und !konstanter Spannungshöhe aus den Meßimpulsen. Bei veränderlicher Impulsfrequenz wi:xl die Impulsfolgeperiode der Ausgangsimpulse verändert so daß beispielsweise bei höherer Eingangsfrequenz die Ausgangsrechteckimpulse häufiger kommen. Der Mittelwert dieser Rechteckimpulsfolge ist demnach der Impmlsfolgefrequenz und damit beispielsweise der zu messenden und zu regelnden Drehzahl proportional.

Der gewünschten frequenzproportionalen Ausgangsgleichspannung sind unerwünschte Wechselspannungen mit der Grundfrequenz, das heißt der umzuwandelnden Eingangsfrequenz, und deren Oberwellen überlagert. Die Amplituden dieser Oberwellen müssen von einem nachgeschalteten Siebglied ausreichend stark gedämpft werden. Andererseits soll aber der zeitliche Verlauf der Ausgangsgleichspannung möglichst genau, das heißt schnell, der zeitlichen Änderung der umzuwandelnden Impulsfrequenz folgen. Die umzuwandelnde Eingangsfrequenz ist variabel, weil sie beispielsweise von einer zu messenden Drehzahl herrührt, die selber veränderlich ist. Entsprechend dieser Veränderung kann man also davon sprechen, daß die Drehzahl auch Wechselanteile enthält.

Das Problem liegt also hier darin, daß die nachgeschalteten Siebglieder die Wechselspannungsanteile der Rechteckimpulsfolge unterdrücken müssen, aber die Wechselanteile der zu messenden Drehzahl ■licht verändert werden dürfen. Beide Wechselanteile müssen sich in ihren Frequenzen genügend unterscheiden.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, dieses Problem auf einfache Weise zu lösen, daß heißt die Ausgangsgleichspannung ohne wesentliche Verzögerung den Änderungen der Eingangsfrequenz folgen und von unerwünschten Wechselanteilen nicht beeinflussen zu lassen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß die Ausgangsgleichspannung jeweils während einer Periode der Eingangsfre· quen/. in einem ersten Integrator aufintegriert und mittels einer im Rhythmus der Eingangsfrequenz in einem weiteren Integrator über ein von der Ausgangsgleichspannung abhängiges Zeitintervall aufintegrier-

ten, über die Eingangssignalperiode jeweils gehaltene Differenzspannung so geregelt wird, daß der Spannungswert am Ausgang des ersten Integrators im eingeschwungenen Zustand bei konstanter Eingangsfrequenz am Ende jeder Integrationsperiode gleich ist, wobei die Differenzspannung am Ende jeder Integrationsperiode aus einer konstanten Spannung und dem Spannungswert am Ausgang des ersten Integrators gebildet und über eine Integrationsperiode gehalten wird und als Regelgröße zum Nachführen der Ausgangsgleichspannung dient, die jeweils bei Änderungen der Eingangsfrequenz, bis zur vollzogenen Ausregelung abklingend, auftritt

Auf diese Weise ist die Ausgangsspannung der umzuwandelnden Eingangifrequenz proportional und weist den erheblichen Vorteil auf, daß sie keine Oberwellen enthält

Durch die FR-PS 15 93 274 ist ein Frequenz-Spannungswandler bekannt, bei dem durch Verwendung von mit der halben unbekannten Frequenz betätigten Schaltern, Integratoren und Halteschaltungen ein ausgangsseitiges Siebglied vermieden und dennoch unerwünschte Frequenzen unterdrückt simi. Die.se Schaltung reagiert relativ langsam auf Frequenzänderungen und sie ist bei doppelt vorgesehenen, zeitlich versetzt arbeitenden Schaltungen aufwendig. Um zu einer frequenzproportionalen Spannung zu gelangen, ist eine eigene Kehrwertstufe notwendig.

Nach dem Stand der Technik gemäß der FR-PS 15 62 199 wird zu Regelzwecken die Integration der Ausgangsgieichspannung eines Frequenz-Spannungswandlers auf jeweils konstante Werte in einem Rückführungskreis betrieben. Dabei wird die Eingangsfrequenz zunächst durch einen Impulsgenerator in scharfe und kurze Impulse transformiert und auf einen Summierpunkt gegen eine andere Frequenz geschaltet Beide Frequenzen werden dann einer bistabilen Stufe zugeführt, deren Ausgang über ein Tiefpaß-Filter die Ausgangsspannung abgibt. Die Ausgangsspannung ist über eine Integrationsschaltung und einen Vergleicher auf den Generator für die zweite Frequenz am Summierpunkt zurückgeführt. Eine Rückführung der Ausgangsspannung in dem Sinne, daß sie so geregelt wird, daß der Spannungswert am Ausgang eines Integrators am Ende jeder Integrationsperiode gleich ist, wie dies beim Erfindungsgegenstand der Fall ist, findet hier jeioch nicht statt.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der erste Integrator vom Signal der Eingangsfrequenz am Ende jeder Integrationsperiode zurückgesetzt wird, daß einem Summierpunkt die konstante Spannung über einen Schalter mit umgekehrtem Vorzeichen die Spannung am Ausgang des ersten Integrators zugeführt wird, daß ein zweiter Schalter die Differenzspannung der konstanten Spannung und der Integrationsspannung am Ausgang des ersten Integrators im Rhythmus der Eingangsfrequenz auf ein Halteglied schaltet, daß ein zweiter Integrator, an dessen Ausgang die Ausgangsgieichspannung ansteht, vorgesehen ist, der durch einen dritten Schalter im Rhythmus der Eingangsffeqüenz für eine bestimmte, von der Ausgangsgleichspannung abhängige Zeit, die kleiner als die kürzeste Periode der Eingangsfrequenz ist, die Spannung des Haltegliedes auf den zweiten Integrator schaltet.

Beim Einschalten des Umsetzers hat die Ausgangsgleichspannung zunächst den Wert null. Um diesen Vorgang möglichst einfach und problemlos ablaufen zu lassen, besteht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß die Schaltzeit für den dritten Schalter aus einem konstanten Teil und einem der Ausgangsgieichspannung proportionalen Teil zusammengesetzt ist, und zwar in einem Proportionalglied.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die die endlichen Schaltzerten beim Rückstellen des ersten Integrators und bei der Übernahme der Summationsspannung in das Halteglied berücksichtigt bzw. eliminiert, sieht eine Korrektur vor. Diese beiiteht darin, daß zwischen dem Ausgang am zweiten Integrator, der gleichzeitig die Ausgangsgieichspannung liefert, und dem Summierpunkt ein Proportionalglied vorgesehen ist, das eine der Ausgangsgieichspannung und der Schiitzeit proportionale Korrekturspannung auf den Summierpunkt rückführt

Vorteilhaherweise wird bei dem er^ndungsgemäßen Verfahren und der darauf aufbauenden erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die variable Eingangsfrequenz von einem Impulsgeber abgenommen und die proportionale Ausgangsgleichspannung für Meß- und/ oder Regelzwecke verwendet Das erfindungEgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen sind jedoch nicht auf diesen Anwendungszweck beschränkt.

Im folgenden wird anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele von erfinuungsgemäßen Schaltungsanordnungen das Verfahren gemäß der Erfindung zur Umsetzung einer variablen Eingangsfrequenz in eine proportionale Ausgangsgieichspannung näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen

F i g. 1 schematisch das Blockschaltbild einer möglichen Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

F i g. 2 schematisch das um ein Korrekturglied für die Schaltzeiten ergänzte Blockschaltbild gemäß Fig. 1,

F i g. 3 den zeitlichen Verlauf verschiedener, wesentlicher elektrischer Größen, die an Teilen der F i g. 1 anstehen.
Gemäß dem Blockschaltbild der Fig. 1 wird einem Summierpunkt 1 eine konstante Spannung Uk zugeführt.

Über einen ersten Schalter 2 wird die Spannung dieses Summierpunktes 1 auf ein Halteglied 3 gegeben. Über einen Schalter 4 wird dem Summierpunkt 1 die Ausgangsspannung eines ersten Integrators 5 zugeführt. Der Ausgang des Haltegliedes 3 wird über einen Schalter 6 auf einen zweiten Integrator 7 geschaltet, an dessen Ausgang 8 die Ausgungsgleichspannung U_A ansteht. Dieser Ausgangspunkt 8 für die Ausgangsgleichspannung Ua ist gleichzeitig der Eingang für den ersten Integrator 5. Deir zweite Schalter 4, der die Integrationsspannung de« ersten Integrators 5 auf den Summierpunkt i gibt, weist einen zweiten Pol auf, der gegen Erde geführt ist. Am Ende jeder Integrationsperiode wird der Schalter 4 auf diesen zweiten Pol geschaltet, um damit einen neuen Integrationsvorgang bei null beginnen zu können. Die Steuerung dieses Schalters 4 als auch die Steuerung des Schalters 2, mit dem die Spannung des Summierpunktes 1 auf das

t" Halteglied 3 gegeben wird, erfolgt durch die Eingangsimpulsfrequenz f, was Jiirch die Pfeile am Schalter 2 und Schalter 4 angedeutet ist. Zur Steuerung des Schalters 6, der die Spannung des Haltegliedes 3 auf den zweiten

Integrator 7 gibt, ist ein Proportionalglied 9 vorgesehen. Dieses Proportionalglied 9 ist von der Ausgangsspannung (Λ abhängig, das heißt ein Fühlglied ist an den Ausgang 8 angeschlossen. Das Proportionalglied bestimmt die Einschaltzeit für den Schalter 6, und zwar derart, daß der Schalter für eine gewisse Mindestzeit eingeschaltet ist bei der Ausgangsspannung U.\ = 0 und einem dieser Ausgangsspannung Ua proportionalen Teil, der mit dem Wert der Ausgangsgleichspannung wächst. Dies ist durch eine Charakteristik, die in das Proportionalglied 9 eingezeichnet ist, angedeutet.

Von dem ersten Integrator 5 wird die Ausgangsgleichspannung Ua jeweils während einer Periode 7"der Eingangsimpulsfrequenz f aufintegriert. Die Ausgangsspannung des Integrators 5 wird von der konstanten Spannung Uk abgezogen, das heißt diese Spannungen werden mit verschiedenen Vorzeichen auf den Summierpunkt 1 gegeben. Die Differenzspannung dieser beiden Spannungen wird jeweils am Ende der Integrationsperiode T mit dem Schalter 2 auf das Halleglied 3 gegeben. Dies erfolgt durch die Steuerung des Schalters 2 durch die Eingangsfrequenz f. Die im Halteglied jeweils gespeicherte Differenzspannung wird mit Hilfe des dritten Schalters 6 jeweils für die entsprechende Schaltzeit fe auf den zweiten Integrator 7 gegeben. Dieser zweite Integrator 7 bleibt nach öffnen des Schalters 6 auf derjenigen Spannung stehen, die er am Ende der Einschaltzeit erreicht hat. Er hält diese Spannung auch bis zum nächsten Schaltvorgang. Dadurch wird die Ausgangsgleichspannung Ua um einen gewissen Teil vergrößert oder verkleinert, je nachdem, ob die Differenzspannung am Summierpunkt 1 positiv oder negativ ist.

Das in F i g. 3 dargestellte Zeitdiagramm gibt den zeitlichen Verlauf der wesentlichen Größen des in Fig.) dargestellten Blockschaltbildes wieder. Dargestellt ist dabei der Übergang von einer höheren auf eine niedrigere Frequenz. Der umgekehrte Vorgang verläuft sinngemäß und bringt keine weiteren Erkenntnisse, weshalb auf diese Darstellung verzichtet wird.

Im einzelnen sind folgende Größen aufgetragen:

f Impulse, die den Schalter 2 einschalten Ui Ausgangsgröße des Integrators 5 Uh Ausgangsgröße des Haltegliedes 3 Ua Ausgangsgröße des Integrators 7 »6« Schaltzustand des Schalters 6

(L = »Ein«, 0 = »Aus«)
Ue7 Eingangsgröße des Integrators 7

Der Zeitablauf beginnt mit dem stationären Zustand bei einer Zeitimpulsfrequenz /j. Nach dem zweiten dargestellten Impuls ist eine sprungartige Änderung der Impulsfrequenz auf den Wert /j = '/2 /j angenommen. Infolge der jetzt doppelt langen Impulspause läuft CZ₅ auf einen wesentlich über dem Wert Us = Uk liegenden Wert, da die Ausgangsgröße Ua und damit auch die zeitliche Änderung dt/5/df zunächst unverändert bleiben.

Die Differenzspannung Uo, das heißt der Oberschuß von Us über Uk, wird mit Eintreffen des nächsten Impulses /in das Halteglied 3 Obertragen und bewirkt während der Schließdauer des Schalters 6 eine Verringerung der Ausgangsgleichspannung U_A. Dies hat eine Verminderung der Steigung von U₅ zur Folge, was wiederum ergibt, daß beim Eintreffen des folgenden Impulses /der Oberschuß von Us über Uk und damit die Differenzspannung Ua kleiner ausfällt als beim vorhergehenden Impuls.

Dieses Arbeitsspiel wiederholt sich mit dem Ergebnis, daß die Ausgangsgleichspannung U.\ sich auf den neuen, der veränderten Frequenz / proportionalen Wert • einstellt. Dieser liegt so, daß kein Überschuß U-, über Uk mehr auftritt und damit (V;» des Haltegliedes gleich null wird.

Die Arbeitsweise des Proportionalgliedes 9 ist durch

die von null ansteigenden, gestrichelten Geraden, die die

1» Ausgangsgröße eines weiteren Integrators, der mit einem Kompensator zusammen die Funktion des Proportionalgliedes 9 verwirklicht, im Diagramm U.\ (t) dargestellt. Der Schalter 6 ist in L-Stellung, bis diese Geraden die Kurve U.\ erreicht haben. Die Eingangs-

!■ größe Ur? des Integrators 7 ist während der L-Phase des Schalters 6 gleich der Ausgangsgröße Un des Haltegliedes 3.

Durch die Proportionalität zwischen der Ausgangsgleichspannung Ua und der Schaltzeit k für den Schalter -" 6 wird erreicht, daß der Regelkreis, der mit einem Abtastregelkreis veränderlicher Tastperiode verglichen werden kann, im ganzen Bereich der umzuwandelnden Eingangsimpulsfrequenz günstig eingestellt werden kann, das heißt das Nachziehen der Ausgangsgleich- -> spannung Ua auf den richtigen Wert erfolgt in geringstmöglicher Zeit bzw. einer oder nur wenigen Tastperioden.

Um η·ιη beim Einschalten der gesamten Anordnung möglichen Schwierigkeiten aus dem Wege zu gehen, JO weil nämlich für die Schaltzeit fe eine Proportionalität mit der Ausgangsgleichspannung Ua besteht, enthält das Proportionalglied einen konstanten Teil, das heißt es besteht eine Mindesteinschaltzeit für den dritten Schalter 6. Damit ist sichergestellt, daß bei dem Wert null für die Ausgangsgleichspannung der Schalter 6 trotzdem für eine gewisse Zeit eingeschaltet ist und sich die Schaltung auf eine normale Arbeitsweise einstellen kann.

Die Rückstellung des ersten Integrators 5, durch die Umlegung des Schalters 4 auf den zweiten geerdeten Kontakt, erfordert eine gewisse Zeitspanne. Gleichzeitig wird auch für die Übernahme der Differenzspannung vom Summierpunkt 1 in das Halteglied 3 mittels des Schalters 2 eine gewisse Zeit benötigt. Es hat sich ■<5 deshalb als zweckmäßig herausgestellt, daß diese Zeiten durch ein Korrekturglied ausgeglichen werden.

In F i g. 2 ist dieselbe Schaltung wie in F i g. 1 dargestellt und auch mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, soweit sie bereits erwähnt wurden. Darüber >c hinaus ist zwischen dem Ausgang 8 der Ausgangsgleichspannung Ua und dem Summierpunkt 1 ein Korr~kturglied 10 eingeschaltet Dieses Korrekturglied ist ein Proportionalglied, dessen rückgeführte Spannung der Schaltzeit für den Integrator 5 und den ersten Schalter 2 und dem Wert der Ausgangsgleichspannung Ua proportional ist Die Größe der benötigten Schaltzeit für die beiden Schalter 2 und 4 läßt sich experimentell feststellen. Diese Korrekturspannung des Proportionalgliedes 10 wird mit einer der Ausgangsspannung des w> Integrators 5 entsprechenden Polarität dem Summierpunkt 1 zugefuhrt-

Besonders vorteilhaft ist bei dieser Anordnung gemäß der F i g. 2 die große Genauigkeit der Gesamtfunktion. Diese hängt insbesondere von der Genauigkeit der e5 konstanten Spannung Uk ab, die dem Summierpunkt 1 zugeführt wird und von der Genauigkeit der Korrektur-Spannung, die von dem Proportionalglied 10 dem Summierpunkt 1 zugeführt wird. Die Genauigkeit hängt

weiterhin von der exakten Arbeitsweise des Integrators ab. Die anderen Teile der Schaltung brauchen nicht sehr genau zu sein, da durch die Regelkreisanordnung eine Nachführung der Ausgangsgleichspannung bei verschiedenen Abweichungen erfolgt. Hierin ist ein besonderer Vorteil dieser Schaltungsanordnung zu sehen.

Die A'-sgangsgleichspannung Ua der erfindungsge-

milßen Schaltung ist der F.ingangsfrequenz /'proportional. Der Regelkreis führt bei veränderlicher Eingangsfrequenz /"die Ausgangsgleichspannung so nach, daß die Differenz zwischen der am Ende jeder Integrationsperiode erreichten Spannung und der vorgegebenen Konstantspannung Uk verschwindet. Auf diese Weise ist eine verzerrungsfreie Übertragung des Nutzsignales sichergestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Impuls-Spannungsumsetzung, bei dem eine variable Eingangsfrequenz in eine proportionale Ausgangsgleichspannung überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgleichspannung (Ua) jeweils während einer Periode (T) der Eingangsfrequenz (Q in einem ersten Integrator (5) aufintegriert und mittels einer im Rhythmus der Eingangsfrequenz (Q in einem ι ο weiteren Integrator (7) über ein von der Ausgangsgleichspannung (Ua) abhängiges Zeitintervall aufintegrierten, über die Eingangssignalperiode jeweils gehaltene Differenzspannung (Uh) so geregelt wird, daß deren Spannungswert (Us) am Ausgang des w ersten Integrators (5) im eingeschwungenen Zustand bei konstanter Eingangsfrequenz (Q am Ende jeder Integrationsperiode gleich ist, wobei die Differenzspannung (Uh) am Ende jeder Integrationsperiode aus einer konstanten Spannung (Uk) und dem Spannungswert (Us) am Ausgang des ersten Integrators (5) gebildet und über eine Integrationsperiode gehalten wird und als Regelgröße zum Nachführen der Ausgangsgleichspannung (Ua) dient, die jeweils bei Änderungen der Eingangsfrequenz (Q bis zur vollzogenen Ausregelung abklingend, auftritt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Eingangsfrequenz (Q von einem Impulsgeber abgenommen wird und daß die proportionale Ausgangsgleichspannung (Ua) Meß- und/oder Rtgelzwecken dient.

3. Schaltungsanordnung -jr Durchführung des Verfahrens nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Integrator (5) vom Signal der Eingangsfrequenz (Q am Ende jeder Integrationsperiode (T) zurückgesetzt wird, daß einem Summierpunkt (1) die konstante Spannung (Uk) und über einen Schalter (4) mit umgekehrtem Vorzeichen die Spannung (Ui) am Ausgang des ersten Integrators (5) zugeführt wird, daß ein zweiter Schalter (2) die Differenzspannung (U_H) der konstanten Spannung (Uk) und der Integrationsspannung (Us) am Ausga%ig des ersten Integrators (5) im Rhythmus der Eingangsfrequenz (!) auf ein Halteglied (3) schaltet, daß ein zweiter Integrator (7), an dessen Ausgang (8) die Ausgangsgleichspannung (Ua) ansteht, vorgesehen ist, der durch einen dritten Schalter (6) im Rhythmus der Eingangsfrequenz (Q für eine bestimmte, von der Ausgangsgleichspannung (U_A) abhängige Zeit (te), die kleiner als die kürze: te Periode (P) der Eingangsfrequenz (Q ist, die Spannung (Uh) des Haltegliedes (3) auf den zweiten Integrator (7) schaltet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeit (U,) für den dritten Schalter (6) aus einem konstanten Teil und einem der Ausgangsgleichspannung (Ua) proportionalen Teil in einem Proportionalglied (9) zusammengesetzt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (8) des zweiten Integrators (7) und dem Summierpunkt (1) ein Proportionalglied (10) vorgesehen ist, das eine der Ausgangsgleichspannung und der Schaltzeit proportionale Korrekturspannung auf den Summierpunkt (1) zurückführt.

6. Anwendung der Schaltungsanordnung nach

der vorhergehenden Ansprüche 3—5, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Eingangsfrequenz (Q von einem Impulsgeber abgenommen wird und daß die proportionale Ausgangsgleichspannung (Ua) Meß- und/oder Regelzwecken dient