DE2133726C3 - Schaltungsanordnung zum Umsetzen einer Spannung in ein Impulsverhältnis - Google Patents

Description

der US-PS 34 63 912 bekannt und gehört zum letz- Schaltungsanordnung für Eingangssignale beider Po-

teren Typ der Spannungs-Frequenz-Umsetzer. Bei laritäten. Die bei der Weiterbildung angewandte Ver-

ihr wird ein Entladungsimpuls jedesual dann er- doppelung der Schwellwertschaltung und der Refe-

zeugt, wenn das Signal vom Integrator den durch die renzstromquelle ist an sich aus der US-PS 34 63 912

Schwellwertschaltung vorgegebenen Schwellwert er- S bekannt. Mit den Maßnahmen der Unteransprüche 5

reicht In diesem Fall schaltet die Schwellwertschal- und 6 wird die erläuterte Synchronisation der Meß-

tung die Zeitgeberschaltung ein, welche daraiifhin pcriode mit den Taktimpulsen in besonders zweck-

mittels eines Schalters eine Referenzschaltung für mäßiger Weise erreicht.

eine vorbei timmte Zeitdauer an den Eingang des In- Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines

tegrators legt. Gleichzeitig erzeugt die Zeitgeberschal- io schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher

rung einen Impuls, der zum Ausgang der Schaltungs- erläutert. In der Zeichnung zeigt

anordnung gelangt. Die Genauigkeit der Arbeitsweise F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanord-

dieser Schaltungsanordnung ist wesentlich von der nung nach der Erfindung,

Genauigkeit abhängig, mit welcher der Schwellwert Fig.2a bis 2f einen Impulsplan zu der Schal-

der Schwellwertschaltung eingehalten werden kann. 15 tungsanordnung nach Fig. 1.

Diese Genauigkeit ist jedoch begrenzt. Gemäß F i g. 1 weist die Schaltungsanordnung zum

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Umsetzen einer Spannung in ein Impulsverhältnis bekannte Schaltungsanordnung mit relativ einfachen einen analogen Integrator 15 auf, der einen Umkehr-Mitteln se auszugestalten, daß die Genauigkeit ihrer verstärker und in der Rückkopplung einen Konden-Arbeitsweise wesentlich erhöht ist, ohne daß der an ao sator enthält. Die umsetzende Spannung wird einem sich vorhandene Vorteil der Unabhängigkeit der Eingang 11 zugeführt. Ein Spannungsabfall am EinArbeitsweise von Alterungserscheinungen eines Kon- gangswiderstand R bewirkt, daß ein Strom i, in den densators verloren geht. Summierungspunkt 17 fließt. Ein Strom i_c fließt vom

Die zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagene Rückkopplungskondensator des Integrators in den Ausgestaltung besteht erfindungsgemäß darin, daß »5 Summierungspunkt 17. Der Ausgang des Integrators die Schwellwertschaltung eine Schwellenstufe und ist mit den Eingängen 21 und 28 zweier Schwellwerteine das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung schaltungen 19 bzw. 27 verbunden,
erzeugende bistabile Kippstufe umfaßt, deren beide Die Schwellwertschaltung 19 spricht auf positive Kippstellungen durch das zweiwertige Signal von der Eingangsspannungen am Eingang 11 an. Sie weist Schwellenstufe vorbereitbar sind und die durch mit 30 außer dem Eingang 21 einen Taktgebereingang 23 fester Frequenz von der Zeitgeberschaltung erzeugte und eien Ausgang 25 auf. Sie enthält einen Schwel-Taktimpulse triggerbar ist, und daß die bistabile len-Verstärker und eine bistabile Kippstufe. Der Ein-Kippstufe mit ihrem auf dem zweiten diskreten Wert gang 21 ist der Eingang des Verstärkers. Der Ausbefindlichen Ausgangssignal unmittelbar die Refe- gang des Verstärkers ist mit dem Vorbereitungseinrenzstromquelle an den Eingang des Integrators 35 gang »D« der Kippstufe verbunden. Der Taktgeberschaltet und außerdem eine Verknüpfungsschaltung eingang 23 führt zum Triggereingang der Kippstufe, auftastet, welche im aufgetasteten Zustand während Der Ausgang der Kippstufe ist der Ausgang 25 der einer Meßperiode Taktimpulse von der Zeitgeber- Schwellwertschaltung 19. Die abfallende Flanke eines schaltung zum Ausgang der Schaltungsanordnung Taktimpulses am Eingang 23 setzt den Ausgang 25 hindurchläßt. 40 auf einen niedrigen Pegel, wenn das Signal am Ein-

Die bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanord- gang 21 positiver als ein negativer Schwellwert — V nung vorgesehene bistabile Kippstufe, die durch das ist, und auf einen hohen Pegel, wenn das Signal am Signal von der Schwellenstufe nur vorbereitet wird Eingang 21 negativer als der negative Schwellwert ist. und erst genau zum Zeitpunkt eines Taktimpulses in F i g. 2 e stellt den Signalverlauf am Ausgang 25 dar, die vorbereitete Kippstellung gelangt, bewirkt, daß 45 bei welchem sich das Ausgangssignal am Ausgang 25 die Genauigkeit der Umsetzung des analogen Ein- bei der abfallenden Flanke eines Taktimpulses gangssignals in ein seiner Amplitude entsprechendes (F i g. 2 a) von einem tiefen zu einem hohen Pegel Impulsverhältnis hauptsächlich auf der Stabilität der ändert, da das Signal vom Integrator 15 negativer Zeitgeberschaltung beruht, die beispielsweise bei Ver- als der negative, in Fig. 2d dargestellte Schwellwendung eines Kristalloszillators 1 zu IQ⁷ oder mehr 5» wert ist.

betragen kann, und weniger auf der Genauigkeit der Die Schwellwertschaltung 27 spricht auf negative

Einhaltung eines Schwellwertes, die typischerweise Eingangsspannungen am Eingang 11 an. Sie weist

nur 1 zu 10⁴ beträgt. Der Grund hierfür liegt in dem außer dem Eingang 28 einen Taktgebereingang 29

Umstand, daß von der Referenzstromquelle nicht und einen Ausgang 38 auf und unterscheidet sich im

schon dann ein Entladungsimpuls an den Summie- 55 Betrieb von der Schwellwertschaltung 19 darin, daß

rungspunkt des Integrators abgegeben wird, wenn das sich der Ausgang 30 auf einem tiefen Pegel befindet,

Signal vom Integrator den zwangläufig nicht ganz wenn das Signal am Eingang 28 niedriger als ein

konstanten Schwellwert der Schwellenstufe erreicht, positiver Schwellwert + V ist, und auf einem hohen

sondern erst bei den nächsten, zu einem exakt einge- Pegel, wenn das Signal am Eingang 28 positiver als

haltenen Zeitpunkt eintreffenden Taktimpuls. Außer- 60 der positive Schwellwertpegel ist. Fig. 2e stellt das

dem gestattet die Vorgabe eines festen Taktschemas Ausgangssignal 30 der Schwellwertschaltung 27 dar,

durch die Zeitgeberschaltung die einfache Synchro- das sich bei der abfallenden Flanke eines Taktimpul-

nisation von Anfang und Ende der Meßperiode mit ses (F i g. 2 a) von einem tiefen zu einem hohen Pegel

den Taktimpulsen derart, daß die Meßperiode ein ändert, da das Ausgangssignal des Integrators 15

ganzzahliges Vielfaches einer Taktperiode dauert, 65 positiver als der positive, in Fig. 2c dargestellte

wodurch Vollausschlagsfehler vermieden werden. Schwellwert ist.

Die in den Unteransprüchen 2 bis 4 gekennzeich- Eine Zeitgeberschaltung 31 erzeugt am Ausgang A

nete Weiterbildung ermöglicht die Verwendung der gemäß Fig. 2a die periodischen Taktimpulse. Am

Ausgang B wird mittels eines Frequenzteilers für die Taktimpulse ein Meßperiodensignal erzeugt, das mit den Taktimpulsen synchronisiert ist und ein ganzzahliges Vielfaches an Taktperioden dauert (Fig.2b). Der Ausgang A ist mit den Taktgebereingängen 23 und 29 der Schwellwertschaltungen 19 und 27 verbunden.

Der Ausgang 25 der Schwellwertschaltung 19 ist mit einer Referenzstromquelle 35 verbunden. Diese gibt an den Summierungspunkt 17 bei einem hohen Pegel des Ausgangssignals der Schwellwertschaltung 19 ein negatives Referenzsignal ab, und sie verhindert die Abgabe eines negativen Referenzsignals bei einem tiefen Pegel am Ausgang 25. Die Anschaltung des negativen Referenzsignals bewirkt einen Strom, der aus dem Summierungspunkt 17 herausfließt.

Der Ausgang 30 der Schwellwertschaltung 27 ist mit einer zweiten Referenzstromquelle 37 verbunden. Diese gibt bei einem hohen Pegel des Ausgangssignals der Schwellwertschaltung 27 ein positives Re- ao ferenzsignal an den Summierungspunkt 17 ab, und sie verhindert die Abgabe eines positiven Referenzsignals bei einem tiefen Pegel am Ausgang 30. Die Anschaltung des positiven Referenzsignals bewirkt einen Strom, der in den Summierungspunkt 17 hin- »5 einfließt.

Eine Verknüpfungsschaltung 33 weist zwei Taktgebereingänge 43 und 45 auf, welche mit den Eingängen A bzw. B der Zeitgeberschaltung 31 verbunden sind, ferner zwei Eingänge 39 und 41 die mit den Ausgängen 25 und 30 der Schwellwertschaltung 19 bzw. 27 verbunden sind. Ein Ausgang der Verknüpfungsschaltung 33 ist mit 47 bezeichnet. Während einer Meßperiode gelangen »N₂« Taktimpulse durch die Verknüpfungsschaltung 33 zum Ausgang 47 nach Maßgabe eines hohen Pegels entweder am Ausgang 25 oder am Ausgang 30. Keine Impulse können durch die Verknüpfungsschaltung 33 hindurchgelangen, wenn an beiden Ausgängen 25 und 30 der Schwellwertschaltungen 19 bzw. 27 tiefe Pegel auftreten.

Bei einer positiven Spannung am Eingang 11 erreicht das Signal vom Integrator 15 niemals den positiven Schwellwert der Schwellwertschaltung 27, und der Ausgang 30 bleibt auf einem tiefen Pegel. Der Ausgang 25 der Schwellwertschaltung 19 wird durch jeweils einen Taktimpuls entweder auf einen tiefen Pegel gesetzt, wenn das Signal am Eingang 21 positiver als der negative Schwellwert ist, oder er wird auf einen hohen Pegel gesetzt, wenn das Signal negariver als der negative Schwellwert ist Die ist in Fig.2d und 2e dargestellt

Wenn sich das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung 19 auf einem hohen Pegel befindet, wird das negative Referenzsignal von der Quelle 35 an den Summierungspunkt 17 geschaltet Außerdem gelangen dann Taktimpulse vom Ausgang A der Zeitgeberschaltung 31 durch die Verknüpfungsschaltung 33 zum Ausgang 47, wie das in Fig. 2a und 2f dargestellt ist Wenn der Ausgang 25 der Schwellwertschaltung 19 einen tiefen Pegel aufweist, werden keine negativen Referenzsignale von der Quelle 35 an den Summierungspunkt 17 abgegeben, und die Verknüpfungsschaltung ist für den Durchgang von Taktimpulsen gesperrt.

Die Summe aller Ströme im Summierungspunkt 17 muß Null sein:

wobei // der Eingangsstrom, i_c der Strom vom Rückkopplungskondensator und I₈ der mittlere Strom von der Referenzstromquelle 35 ist. Während der Meßperiode Γ gilt:

. _ U ^ll~ R'

wobei U die Spannung des Eingangssignals und R der Wert des Eingangswiderstandes ist.

Der mittlere Strom vom Rückkopplungskondensator während der Meßperiode Γ ist:

₁ τ

i, = — Γ Ldt p» 0.
Ti

Der mittlere Strom i₃ kann ausgedrückt werden durch:

wobei 3« der eingestellte Wert des Stromes von der Referenzquelle 35, t die Dauer der Taktperiode, also des Zeitabstandes zwischen zwei Taktimpulsen vom Ausgang y4 der Zeitgeberschaltung 31 und N₂ die Zahl der Entladungsimpulse mit jeweils der Dauer τ von der Quelle 35 zum Summierungspunkt 17 während einer Meßperiode ist.
Daher gilt:

U = RI_R — N₂.

Da die Zeitgeberschaltung 31 erzwingt, daß 7 gleichlang wie /V£ wird, wobei N eine ganze Zahl ist gilt:

Die entsprechende Analyse kann für eine negativi Spannung am Eingang 11 und für Entladungsünpulsi von der Quelle 37 gemacht werden.

Das Verhältnis der Anzahl N₂ der durch die Ver knüpfungsschaltung 33 hindurchgelangenden Taktim pulse zu der Anzahl N der Taktimpulse in einer Meß periode ist also der umsetzenden Eingangsspannun proportional und unabhängig von Änderungen de Dauer % der Entladungsimpulse während einer MeG periode.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 mit den in der Verknüpfungsschaltung (33) hin- Patemanspriiche: durchgelassenen Taktimpulsen und-verknüpft wird.

1. Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, da-Eingangssignals in ein Impulsverhältnis, welches 5 durch gekennzeichnet, daß das Teilerverhältnis der Amplitude des Eingangssignals während einer der Frequenzteilerschaltung mindestens 1:100 Meßperiode proportional ist, mit einem analogen beträgt.
Integrator, dessen Eingang das Eingangssignal
zugeführt wird, einer dem Integrator nachgeschalteten Schwellwertschaltung, deren Ausgangssignal io

an Stelle eines ersten diskreten Wertes einen
zweiten diskreten Wert annimmt, wenn das Signal

vom Integrator einen bestimmten Schwellwert Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung erreicht hat, und einer durch das Ausgangssignal zum Umsetzen einer Eingangsspannung in ein Imder Schwellwertschaltung gesteuerten Referenz- i₅ pulsverhältnis, welches der Amplitude des Eingangsstromquelle, die Entladungsimpulse einer be- signals während einer Meßperiode proportional ist, stimmten, durch eine Zeitgeberschaltung festge- mit einem analogen Integrator, dessen Eingang das legten Dauer in einem dem Eingangssignal ent- Eingangssignal zugeführt wird, einer dem Integrator gegengerichteten Sinne an den Eingang des Inte- nachgeschalteten Schwellwertschaltung, deren Ausgrators abgibt, wenn das Ausgangssignal der ao gangssignal an Stelle eines ersten diskreten Wertes Schwellwertschaltung den zweiten diskreten Wert einen zweiten diskreten Wert annimmt, wenn das Siannimmt, wobei die Zeitgeberschaltung eine der gnal vom Integrator einen bestimmten Schwellwert Zahl der Entladungsimpulse proportionale Zahl erreicht hat, und einer durch das Ausgangssignal der von Impulsen an einen Ausgang der Schaltungs- Schwellwertschaltung gesteuerten Referenzstromanordnung abgibt, dadurch ge kenn ze ich- as quelle die Entladungsimpulse einer bestimmten, net, daß die Schwellwertschaltung (19) eine durch eine Zeitgeberschaltung festgelegten Dauer in Schwellenstufe und eine das Ausgangssignal der einem dem Eingangssignal entgegengerichteten Sinne Schwellwertschaltung erzeugende bistabile Kipp- an den Eingang des Integrators abgibt, wenn das stufe umfaßt, deren beide Kippstellungen durch Ausgangssignal der Schwellwertschaltung den zweidas zweiwertige Signal von der Schwellenstufe ₃₀ ten diskreten Wert annimmt, wobei die Zeitgebervorbereitbar sind und die durch mit fester Fre- schaltung eine der Zahl der Entladungsimpulse proquenz von der Zeitgeberschaltung (31) erzeugte portionale Zahl von Impulsen an einen Ausgang der Taktimpulse (-4) triggerbar ist, und daß die bi- Schaltungsanordnung abgibt.

stabile Kippstufe mit ihrem auf dem zweiten Bekannte Spannungs/Frequenz-Umsetzer weisen diskreten Wert befindlichen Ausgangssignal un- ₃₅ einen Kondensator auf, der für eine vorbestimmte mittelbar die Referenzstromquelle (35) an den Zeit durch ein Eingangssignal aufgeladen wird. Das Eingang (17) des Integrators (15) schaltet und Eingangssignal wird dann von dem Aufladekreis abaußerdem eine Verknüpfungsschaltung (33) auf- geschaltet, und der Kondensator wird dann vollstäntastet, welche im aufgetasteten Zustand während dig mittels eines Referenzsignals entladen. Die Größe einer Meßperiode Taktimpulse von der Zeitgeber- ₄o des Eingangssignals wird durch die Anzahl von Taktschaltung zum Ausgang (47) der Schaltungsan- impulsen angegeben, welche während der Entordnung hindurchläßt. ladungsperiode auftreten. Ein Nachteil dieser Tech-

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- nik besteht darin, daß die Auflösung des Ausgangsdurch gekennzeichnet, daß der nur auf Signale signals von der Empfindlichkeit und Stabilität einer einer Polarität ansprechenden Schwellwertschal- 45 Pegelabtastschaltung abhängig ist. Änderungen in der tung (19) eine zweite, in analoger Weise auf Charakteristik des Kondensators führen zu Fehlern Signale entgegengesetzter Polarität ansprechende im Übertragungsverhalten, und die Schaltungsanord-Schwellwertschaltung (27) zugeordnet ist, welche nung muß derart aufgebaut sein, daß sie den Kondie gleichen Taktimpulse (A) wie die erste densator zwischen dem Eingangssignal und einem Schwellwertschaltung erhält. 50 Referenzsignal umschaltet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, da- Andere bekannte Spannungs/Frequenz-Umsetzer durch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungs- sind relativ unabhängig von Änderungen der Pegelschaltung (33) am Eingang ein Oderglied zur abtastschaltung und Änderungen der Charakteristik Verknüpfung der Ausgangssignale der beiden des Kondensators, da das umzusetzende Eingangs-Schwellwertschaltungen (19; 27) umfaßt. 55 signal mit Entladungsimpulsen kompensiert wird, die

4 Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 dem Summierungspunkt eines Integrators während

oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben der einer festen Meßperiode mehrere Male zugeführt

nur von der ersten Schwellwertschaltung (19) ge- werden. Auch das Eingangssignal wird dem Summie-

steuerten Referenzstromquelle (35) eine zweite, rungspunkt während der Meßperiode zugeführt, so nur von der zweiten Schwellwertschaltung (27) 60 daß kein Umschalten erforderlich ist. Wenn die

gesteuerte Referenzstromquelle (37) entgegenge- Impulsfläche der Entladungsimpulse konstant gehal-

setzter Polarität vorgesehen ist. ten wird, ist die Anzahl der während einer Meß-

5. Schaltungsanordnung nach einem der An- periode auftretenden Entladungsimpulse proportional

sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Größe des Eingangssignals. Die Dauer der Entdie Zeitgeberschaltung (31) eine Frequenzteiler- 65 ladungsimpulse ist von der Meßperiode unabhängig;

schaltung für die Taktimpulse (A) zur Erzeugung dies stellt eine Quelle für Vollausschlagfehler bei der

eines ein ganzzahliges Vielfaches der Taktperiode Messung dar.

dauernden Meßperiodensignals (ß) umfaßt, das Die eingangs genannte Schaltungsanordnung ist aus