DE2143678A1 - Frequenz-Spannungs-Wandler - Google Patents

Description

•fatentanvraifce 01/00-70

Dipl.-Ing. W.Beyer £l4Jb/ö

Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

6 Prankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str.

In Sachen:

Firma
Ford-Werke AG

5 Köln 21

Frequenz-Spannun^s-Wandler

Priorität der US-Anmeldung No. 68.857 vom 2. Sept. 1970

Die Erfindung "betrifft einen Frequenz-Spaiinungs-Wandler, insbesondere zur Umwandlung eines periodischen,elektrischen Sigrals in ein Signal mit einer mittleren Spannung, die der Frequenz des periodischen,elektrischen Signals proportional ist.

Zur Umwandlung einer Frequenz in eine Spannung sind bereits die verschiedensten Schaltungen bekannt, welche auch eine weit verbreitete Anwendung gefunden haben. Eine Grundschaltung an einer an sich bekannten Frequenz-Spannungs-Wandler-Schaltung weist einen (Transistor auf, dessen Emitter mit einem Kondensator verbunden ist, wobei die andere Kondesatorklemme mit dem periodischen,elektrischen Signal beaufschlagt wird, . einen zweiten Kondensator, dem ein Widerstand parallel geschaltet ist_? und eine Diode zwischen dem Emitter des Transistors und einer Klemme des zweiten Kondensators ,

. Die Funktion dieser Schaltung besteht darin, Aas periodische Eingangssignal mit veränderbarer Frequenz in ein Ausgangssignal mit einer Spannung umzuwandeln, die der

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Frequenz des periodischen, elektrischen Eingangssignals proportional ist. Eine Schaltung, welche die oben beschriebenen Elemente aufweist;um die Umwandlung einer Frequenz in eine Spannung zu bewirken, geht aus dem US-Patent 3 356 082, erteilt am 5. Dez. 1967, hervor, wobei die dort offenbarte Frequenzspannungswandlerschaltung ^eil einer größeren Schaltung ist. Wie aus dieser Patentschrift deutlich hervorgeht, kann das periodische, elektrische Signal, das dem ersten Kondensator des Grundschaltkreises zugeführt wird, selbst von einem getrennten Transistor abgelei- w tet werden, dem das periodische Eingangssignal, welches umgewandelt werden soll, zugeleitet wird.

Die transistorisierte Grundschaltung zur Frequenzspannungsumwandlung weist einige Nachteile auf, obgleich sie an sich zweckmäßig aufgebaut ist. So wird zum Beispiel der Basisstrom für den in der Schaltung befindlichen Transistor aus einer Quelle mit einem relativ hohen Widerstand gewonnen, die beim Umschalten dieses Transistors von einem nicht leitenden in einen leitenden Zustand einen Übergangszustand bewirkt, der in dem Ausgangssignal in Erscheinung tritt. Ferner ist die Ausgangsspannung des Schaltkreises eine Funktion der Frequenz des Eingangssignals und eines Proportionalitätsfaktors, welcher seinerseits eine Funktion des Abfalls der Basis - Emitterspannung und des Abfalls der Diodenspannung ist, wobei diese Spannungsabfälle mit der Transistortemperatur und daher mit der Umgebungstemperatur sich verändern und zwar in gleicher Richtung.um eine Änderung des Frequenz-Spannungs-Proportionalitätsfaktors zu bewirken. Ein weiterer Nachteil ist bei der Grundschaltung zur Frequenzspannungsumwandlung in der Tatsache zu erblicken, daß bei sehr geringen Frequenzen und daher bei niedrigen Ausgangsspannungen die Ausgangsspannung eine nichtlineare Funktion der Frequenz des periodischen Ein-

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signals wird. Ein weiterer Nachteil "besteht bei der Grundschaltung darin, daß sie gegenüber positiven Einschwin g/orgängen mit hoher Spannung zum Teil aniällig ist, welche in der Spannungsversorgungsleitung auftreten können, wobei das Auftreten eines genügend hohen Spannungsstoßes den Zusammenbruch des Kollektor-Basisüberganges des Transistors und damit eine Zerstörung desselben bewirkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem Frequemz-Spannungs-Wandler, insbesondere zur Umwandlung eines periodischen, elektrischen Signals in ein Signal mit einer mittleren Spannung, die der Frequenz des periodischen, elektrischen Signals proportional ist, eine Klemme eines Kondensators mit dem Emitter eines Transistors verbunden ist, und das periodische,elektrische Signal der anderen Klemme des Kondensators zugeführt wird, wobei ein weiterer Kondensator zu einem Widerstand parallel liegt und zwischen dem Emitter des Transistors und einem der Anschlüsse des weiteren Kondensators eine Diode geschaltet ist, und wobei ferner mit der Basis des Transistors Transistorkreise verbunden sind, um zu erreichen, daß der absolute Wert der zugeführten Spannung den Wert der Sapnnung übertrifft, die an der einen Klemme des zweiten Kondensators anliegt.

Die verbesserte Schaltung nach der Erfindung weist Mittel zu Kompensation der Umgebungs- und Transistortemperaturänderungen auf, sowie Schaltmittel zur Verhinderung nachteiliger Wirkungen, die sich durch Über-Cancss- bzw. Einschwingvorgänge in der Versorgungsleitung oder anderen Teilen des·. Schaltkreises ergeben. Wenn das

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periodische, elektrische Signal, das über einen ersten Kondensator dem Transistor des Grundschaltkreises zur Frequenzspannungsumwandlung zugeführt wird, von einem zweiten Transistor oder von Transistoren abgeleitet wird, sind nach der Erfindung Widerstände und Dioden vorgesehen, um die Änderungen der Leitungszustände des zweiten Transistors oder der Transistoren in Abhängigkeit von den Änderungen des periodischen Eingangssignals, welches umgewandelt werden soll, sicherzustellen. Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach der Erfindung besteht darin, daß sie einen hohen Eingangs- und einen niedrigen Ausgangswiderstand aufweist.

Aufgrund dieser und anderer Vorteile der Schaltung nach der Erfindung kann sie als ein Frequenzspannungswandler für allgemeine Zwecke dienen. Die Prequenzspannungswandlerschaltung nach der Erfindung kann aus einzelnen elektrischen Elementen oder aus einer integrierten Schaltung oder einer mindestens teilweise integrierten Schaltung aufgebaut sein.

Die verbesserte Frequenzspannungswandlerschaltung nach der Erfindung weist nicht mehr die Nachteile der an sich bekannten Grundschaltung auf, und ist vielseitig anwendbar. Unabhängig davon, ob diese Schaltung aus einzelnen Schaltelementen oder aus einer integrierten Schaltung aufgebaut ist, kann sio als ein zweckmäßiger Grundbaustein bei geschwindigkeitsabhängigeii kraftfahrtechnischen Systemen verwendet worden, wie Beispielsweise bei Geschwindigkeitssteuersystemen, elektronischen kabellosen Drehzahlmessern, Rutschsteuersystemen, Steuersystemen für Maschinenabgase, Steuerungen für·elektronische automatische Getriebe oder bei (TcciPmetersystemen.

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Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Pig. 1 ein schematisches Schaltbild einer -Frequenz-Spannungs-Wandlerschaltung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Abwandlung eines Teiles der in Pig. 1 dargestellten Schaltung und

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild, das im wesentlichen demjenigen nach Fig. 1 ähnlich ist und eine integrierte Schaltung und verschiedene einzelne Komponenten aufweist.

Die folgende ins einzelne gehende Beschreibung bezieht sich auf Spannungen einer angegebenen Polarität und auf dargestellte Transistoren einer besonderen Art, daß heißt eines PNP oder eines liPlT-Typs. Diese Spannungspolaritäten und Transistortypen können natürlich auch entsprechend ausgetauscht werden, vorausgesetzt, daß absolute Spannungswerte und die entsprechenden Beziehungen erhalten bleiben.

In Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Frquenz-Spannungs-Wandlerschaltung nach der Erfindung dargestellt. Die Schaltung umfaßt die Elemente des Frequenz-Spannungs-Wandlers der als Grundaufbau zuvor beschrieben wurde. Diese Elemente sind der Transistor Q₀, der Kondensator C₁, die Diode

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D^, der Kondensator Gp und der Widerstand Rq. Die Arbeitsweise dieser Elemente wird im folgenden in Verbindung mit der allgemeinen Diskussion der Schaltkreisvorgänge beschrieben.

Der in Fig. 1 dargestellte Schaltkreis ist derart ausgebildet, daß er mit einer Wechselspannungsquelle an den

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Klemmen 10 und 12 angeschlossen werden kann, wobei die letztere geerdet dargestellt ist, und die Spannung Y^ an der KJLeHm₆IO in Bezug auf die Erde positiv ist. Das periodische, elektrische Eingangssignal für den Schaltkreis ist durch eine Signalquelle 14- dargestellt, deren eine Seite geerdet und deren andere Seite mit der Klemme eines Widerstandes R_x, verbunden ist. Zwischen der Erde und der anderen Klemme des Wider Standes R^ liegt eine Diode D^. Eine weitere Diode Ü2ist ebenfalls mit dieser Klemme des Widerstandes R_x, und der Basis eines Transistors Q^ verbunden. Die Basis des Transistors Q₁ liegt ferner an einer Klemme eines Widerstandes Rp wobei der andere Anschluß dieses Widerstandes Rp über einen Widerstand R₇ mit der Sapnnung s que lie V^ V3rbunden ist. Mit dem Knotenpunkt zwischen den Widerständen R2 und R₇ sind ein Widerstand IL und eine in Sperrichtung betriebene Zener-Diode D₇ elektrisch verbunden. Der Widerstand R^ ist bei 16 mit dem Kollektor des Tansistors Q. und dem Kondensator C_x, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, verknüpft. Der Emitter des Transistors £L· ist geerdet, desgleichen der weitere Anschluß der Zener-Diode D₇. Die Zener-Diode D₇ \d.rd zur Spannungsstabilisierung verwendet und bewirkt am Knotenpunkt 18 eine nahezu konstante Spannung V. Die Diode D_x, schützt

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den Basis-Emitterübergang des Transistors Q_x, gegen große negative Ausschläge des periodischen Eingangssignals.

Die rechte Seite des Kondensators C_x, ist mit dem Emitter des Transistors Q2 verbunden. Der Kollektor des Transistors Qo ist über einen Widerstand R₁- mit der Sapnnvngsversorgung V. verbunden.

Eine Diode D^ ist bei 20 mit dem Emitter des Transistors Qo und mit der rechten Klemme des Kondensators C^ verknüpft. Die andere Klemme der Diode D₂, ist bei 22 mit der einen Seite eines Kondensators Cp verbunden, während

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ά"-ώ andere Seite dieses Kondensators geerdet ist. '■':i dem Kondensator Cp liegt ein Widerstand Rq parallel. ^r Kondensator C₀ und der Widerstand Rq sind durch eine Leitung 24- mit der Basis eines Transistors Q^ verknüpft. Ihre entsprechenden gegenüberliegende^. Klemmen sind ebenso wie der Kollektor des Transistors Q₇ geerdet. Der Emitter des Transistors Q₇ ist über einen strombegrenzenden Widerstand Rg mit der Basis des Transistors Qp verbunden. Der Emitter des Transistors Q₇ ist ferner über einen Widerstand R^ mit der Ppannungsquelle V. und über einen strombegrenzenden Widerstand R₇ mit der Basis eines Transistors Q₂. verbunden. Der Kollektor des Transistors Q₂ ist mit der Spannungsversorgung V« verier üpft, während sein Emitter über einen Ausgangsv/iderstand R ^₀ geerdet ist. Die Ausgangsspannung Vq, die der Frequenz des periodischen, elektrischen Eingangssignals proportional ist, wird an dem Ausgangswiderstand P^₀,wie in Fig. 1 dargestellt ist, abgegriffen.

Im Betrieb dieser Schaltung liefert die Signalquelle ein periodisches elektrisches Eingangssignal. Da die Signalquelle 14 bei 12 geerdet ist, macht die gegenüberliegende Seite derselben periodische Ausschläge und zwar von einem positiven Wert zu einem negativen Wert und zurück zu einem positiven V/ert. Bei den an sich bekannten Schaltungen fehlt der Widerstand Rp und die Diode D₀, so daß das periodische Eingangssignal über den Widerstand R_x, direkt der Basis des Transistors Q^ zugeführt wird. Durch das Vorhandensein des Widerstandes Rp und der Diode Dp jedoch stehen Mittel zur Verfügung, um eine Änderung von dem nichtleitenden in den leitenden Zustand des Transistors Q* in Abhängigkeit von den periodischen Änderungen der Signalquelle 14 sicherzustellen. Diese Sicherstellung einer angemessenen Basis-durchsteuerung für den Transistor Q^₁ erfolgt deswegen,

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weil die Basis über den Widerstand Rp mit der Quelle einer stabilisierten, Spannungsversorgung V verbunden ist. Wenn daher die Signalquelle von ihrem negativsten Wert in Richtung ihres höchsten positiven Wertes fortschreitet, wird ein Punkt erreicht, bei dem die Basis des Transistors CL in Bezug auf ihren Emitter ausreichend positiv wird, um eine Leitung des Transistors Q_x, zu bewirken. Die Sättigung des Transistors Q^ folgt unmittelbar danach. Dies ergibt sich, weil die Diode D^ im Verlaufe des positiven Anstieges des periodischen Eingangssignals in Sperrichtung " betrieben wird, und der Strom von der stabilisierten Versorgungsleitung V_g durch den Widerstand Rg zur Basis des Transistors Q^ fließt.

Im Verlaufe des Port schreit ens des periodischen Signals von seinem positiven in Richtung seines negativen Maximums wird die Diode D₂ erneut in Durchgangsrichtung betrieben, und c^.e Spannung an der Basis des Transistors Q* wird ausreichend niedrig, um zu bewirken, daß der Transistor von seinem leitenden in seinen nichtleitenden Zustand übergeht. Daher wird ersichtlich, daß der Transistor Q^ fortlaufend von seinem Leitzustand in seinen nicht leitenden Zustand entsprechend der Frequenz des periodischen, elektrischen Eingangssignals übergeht. Wenn, der Transistor Q^, leitend ist, ist die Spannung an seinem Kollektor (16) gleich der Kollektor - Emitter-Sättigungsspannung des Transistors Q^. Wenn der Transistor Q^ nichtleitend wird, wird die Spannung am Punkt 16, nach einer geringen Verzögerung, welche durch die Aufladung des Kondensators Gy,, der in Reihe zum Kondensator Cq liegt, verursacht wird, gleich der stabilisierten Spannung V der Versorgungsleitung. Die Spannung am Punkt 16 weist daher die Form einer Rechteckwelle mit einer Frequenz auf, die dem periodischen Eingangssignal entspricht, welches von der Signalquelle gewonnen wird und besitzt hohe und

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niedrige Spannunfrswerte, welche entsprechend durch die stabilisierte Spannungsversorgung V und der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors erzielt werden.

Das Rechteckwellensignal am Punkt 16, de_s heißt am Kollektor des Transistors Q^₃ wird somit das periodische Eingangssignal für die, Elemente der Grundschaltung des Frequenz-Spannungs-Wandlers. Wie zuvor erwähnt wurde, weisen diese Elemente der Wandlergrundschaltung den Transistor (~> den Kondensator C^, die Diode D^ und die Parallelschaltung des Kondensators Ö2 mit dem Widerstand Rq auf. Die Arbeitsweise der Wandlergrundschaltung ist an sich bekannt, sie soll jedoch zur Vervollständigung der gesamten Beschreibung der Erfindung im folgenden im einzelnen wiedergegeben v/erden. Um die Erreichung einer richtigen Betriebsweise des Basisschaltkreises des Frequenzspannungswandlers zu unterstützen, sollte die Zeitkonstante R/,C<] weitaus geringer sein als das Zeitintei_vall^während dem der Transistor Q^ sich in einem nicht leitenden Zustand befindet, wobei dieses Zeitinteivall gewöhnlich bei der maximalen Frequenz des periodischen Einganp:ssignals,mit der^andlerschaltkreis arbeiten soll,am kürzesten· ist. Als ausreichend wird betrachtet, wenn die Zeitkonstante. R^C ^ geringer als 1/1ο des Inte^volles ist, während dem der Transsistor CL sich in einem nicht leitenden Zustand befindet. Ferner sollte die Zeitkonstante RcCi kleiner als 1/1ο der Zeitkonstante R₁, χ (L· sein, so daß die rechte Seite des Kondensators CL stets in der Nähe des Wertes der Spannung gehalten wird, die am Kondensator C^ anliegt. Zusätzlich sollte die Zeitkonstante Rq^ ^v:5-^el geölter _ai_s die Zeitkonstante R₁,(L· sein, so daß während der Zeit in

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der beide Kondensatoren CL und Cp von V über den Widerstand R^ aufgeladen werden, die Entladung des Kondensators Cp über den Widerstand Rg vernachlässigbar klein ist.

Wenn ein periodisches Eingangssignal dem Schaltkreis nach Fig. 1 von der Signalquelle 14- zugeführt wird, nimmt der Kondensator Cp eine Spannung auf, deren mittlerer Wert der Frequenz des Eingangssignals proportional ist. Obgleich der mittlere Wert der Spannung am Kondensator Cp der Frequenz des Eingangssignals proportional ist, und konstant bleibt, xvenn die Eingangsfrequenz konstant bleibt, so verändert sich dennoch die Spannung am Kondensator Cp im Laufe der Zeit. Diese Spannung am Kondensator Cp, welche als Spannung am Punkt 22 betrachtet werden kann, steigt schnell an, wenn der Transistor CL· nichtleitend wird und nimmt dann exponentiell ab, wenn der Kondensator Cp sich teilweise über den Widerstand Rq entIfdt,~/obei die Zeitkonstante der Entladung verglichen mit den anderen Zeitkonstanten in dem Schaltkreis groß ist. Dieses Geschehen wiederholt sich jedesmal, wenn der Transistor Q^, von seinem leitenden in seinen nichtleitenden Zustand übergeht. Die zyklische Entladung und das teilweise exponentielle Abklingen der Spannung am Punkt 22 ergibt eine mittlere Spannung, welche durch die Frequenz des Eingangssignals bestimmt wird und die der Frequenz proportional ist.

Die Art und Weise, in der die Schaltung arbeitet, um die oben aufgeführte* Beziehung zwischen dem Eingangssignal und der Spannung am Kondensator Cp zu erzielen, kann anhand der am Punkt 16 auftretenden Spannung beschrieben werden, daß heißt, am Kollektor des Transistors Wenn der Transistor Q^ leitend ist, ist die Spannung

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ab Punkt 15 gleich der Kollektor-Emitter-Sättigungs-» spannung. Wenn jedoch der Transistor CL seinen Leitsustand in seinen nichtleitenden Zustand aufgrund des periodischen Eingangssignals ändert, so steigt die Spannung am Punkt 16 an. Der Strom fließt sodann von der stabil:sierten Spannung V_ durch den Widerstand R^, den Kondensator C^, die Diode D. in den Kondensator Gp. Dieser Vorgang hält eine relativ kurze Zeit 3H, verglichen mit der Periode des Eingangs signal s, da der Kondensator C,- sehr schnell über den Widerstand R₁, aufgeladen wird_;und die Spannung am Punkt 16 wird gleich der Spannung V . Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Kondensator Co seine exponent!elIe Entladung über den Widerstand Rq. Wenn das Eingangssignal bewirkt, daß der Transistor CL erneut leitend wird, so nimmt die Spannung am Punkt 16 erneut bis auf den Kollektor-Emitter Sättigungswert für den Transistor CL ab. Dies bewirkt, daß der Kondensator C^ in entgegengesetzter Richtung über den Transistor Q2 aufgeladen wird, der zu diesem Zeitpunkt leitend wird. Der Kondensator C2 kann über den Transistor Q2 während dieses Zeitint ervalles nicht weiter aufgeladen werden, da die Diode D^ in Sperrichtung betrieben id.rd. Der Kondensator C₀ setzt während dieser Zeitspanne sein exponentie11es Abklingen über den Widerstand Rq fort. Die Diode D₁, bleibt in Sperrichtung betrieben, vorausgesetzt, daß das exponentielle Abklingen der Spannung am Kondensator C2 genügend langsam mit der Zeit abnimmt, bis das Eingangssignal erneut bewirkt, daß der Transistor CL nichtleitend wird. Der Zyklus wird dann wiederholt.

Bei der an sich bekannten Grundschaltung des Frequenz-Spannungs-Wandlers ist die Basis des Transistors Q₀ direkt mit dem Punkt 22 verbunden und die Ausgangs-

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spannung V_Q wird von diesem Punkt abgenommen. Bei der an sich bekannten Schaltung ist daher der mittlere Wert der Ausgangs spannung Yq, abgegriffen am Kondensator Cp durch die folgende Gleichung gegeben:

^V0 ■ L\ ^{J V}BE - ^Vd - ^VCE(SAT)7 ^C1V wob^i V-D-g den Spannungsabfall zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q₂ > ^g, ^·^θη Spannungsabfall an der Diode D^, "Vqe^s^) ä.en Spannungsabfall vom Kollektor zum Emitter des Transistors Q_x, im Sättigungszustand und f die Frequenz des periodischen elektrischen Eingangssignals bedeuten. Die oben angegebene Gleichung nähert sich sehr eng der Ausgangsspannung Vq der an sich bekannten Schaltung, bei der die Kapazität des Kondensators C₂ viel größer als die Kapazität des Kondensators (L· ist.

Wenn die Spannungen, die sich innerhalb der Klammern der Gleichung befinden, als konstant betrachtet werden, desgleichen die Kapazität CL und der Widerstand Rq, so ist leicht zu erkennen, daß die Ausgangsspannung Vq der an sich bekannten Schaltung eine lineare Funktion der Frequenz f ist. Die Kapazitäts- und Widerstandswerte können in der Tat als konstante betrachtet werden, genauso wie die in der Klammer stehenden Spannungen, wenn die Transistor-und Diodentemperaturen fest bleiben. Wenn jedoch die Schaltung einer Temperaturveränderung unterworfen ist, verändert sich V-g-g und ebenso V^. Darüberhinaus wird V-g-g nicht-linear_? wenn die Frequenz der Signalquelle sehr gering ist. Trägt man daher für die an sich bekannte Schaltung die Ausgangsspannung Vq gegen die Frequenz auf, so zeigt die Kurve bei geringen Frequenzen einen nicht-linearen Teil und demzufolge geringe Ausgangsspannungen. Bei der Verbindung der Basis des Transistors Q₂ mit dem Punkt 22 nach der an sich bekannten Schaltung wird der Basisstrom für den Transistor von einem Punkt mit einem relativ hohen Wider-

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stand gewonnen. Hierdurch werden dann, wenn der Transistor Qp von einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand übergeht,Verzerrungen in die Betriebsweise des Transistors Q2 eingeführt.

Diese Nachteile des an sich bekannten Systems werden durch Einfügung der Transistoren Q^ und beseitigt. Gemäß der Schaltung nach der Erfindung ist die Basis des Transistors Qo über den strombegrenzten Widerstand Rg mit dem Emitter des Transistors Q-j verbunden. Die Basis des Transistors D

Q- ist ihrerseits mit dem Punkt 22 verbunden, bei dem die Spannung, die der Frequenz des periodischen Eingangssignals proportional ist, gewonnen wird. Hierdurch wird bewirkt, daß die Spannung, die der Basis des Transistors Qp zugeführt wird, um einen Betrag ansteigt, der gleich der Emitter-Basisspannung des Transistors Q₇ ist₇nämlich der Spannung am Punkt 22.

Wenn die Basis des Transistors Qp mit dem Emitter des Transistors Q-, verbunden ist, wird der Basisstrom für den Transistor Qp aus einer Quelle mit einem relativ |

niedrigen Widerstand gewonnen und die Verzerrungszustände, die andererseits auftreten könnten* wenn der Transistor Qo sich von einem nichtleitenden in seinen leitenden Zustand ändert, werden nahezu ausgeschlossen. Die mittlere Spannung Vq am Punkt 22 wird dabei durch die folgende Gleichung bestimmt:

ζ - ^Vd - ^VCE(SAT)1 ^CiV Hierbei handelt es sjbch ebenfalls um eine lineare Funktion der Frequenz. Der einzige Unterschied zwischen dieser Gleichung und der zuvor genannten Gleichung

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für die Schaltung nach dem Stand der Technik "besteht darin, daß die Spannung V_BE fortgelassen worden ist. Ein solches Ergebnis wird erzielt, wenn die Transistoren C^, ^¹¹^· % ähnliche Elemente sind, daß heißt, wenn sie identische Basis-Emitter-Spannungsabfälle aufweisen. Daher wird die Nichtlinearität, die bei geringen Eingangsfrequenzen und Ausgangsspannungen bei der Schaltung nach dem Stand der Technik folgen,eliminiert, genau wie die Schwankungen, die sich durch Temperaturveränderungen des Transistors Qo ergeben.

Wie zuvor festgestellt xvurde, verändert sich der Spannungsabfall V^ an der Diode D^ mit der Temperatur. Venn für diesen Fall eine Temperaturkompensation erforderlich ist, so kann dies dadurch erreicht werden, indem eine in Durchgangsrichtung betriebene Diode zusätzlich zur Zenerdiode D₇ in Reihe liegt.

Die Ausgangsspannung Vq in der Schaltung nach der Erfindung wird am Widerstand R^q abgegriffen. Der Grund hierfür besteht darin, daß der Transistor Q₇ vorzugsweise einen hohen Stromverstärkungsgrad aufweist (in der Größenordnung von 100),der dafür sorgt, daß der Gesamtschaltkreis einen hohen Eingangs- und einen niedrigen Aungangswiderstand auf v/eist. Die Ausgangsspannung könnte am Emitter des Tansistors Q₅, abgegriffen werden, jedoch ist die Spannung an diesem Punkt eine Emitter-Basisspannung über der Spannung am Punkt 22. Um dies zu vermeiden_;und da die Emitter-Basisspannung des Transistors Q, sehr temperaturempfindlich ist, wurde der Transistor Q^ dazugeschal" tet und mit dem Transistor Q,,wie dargestellt,verbunden. Dies bewirkt, daß. die Basis-Emitterspannungen der Transistoren Q, und sich einander ausgleichen, wodurch die Betriebsweise

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dor Schaltung temperaturunabhängig gemacht v/ird.

Die Widerstände R₁- und Rg schützen die Transistoren gegen Verzerrungen der zugeführten Spannung. Ein weiterer Schutz wird durch die Widerstände Rr₇ und Rq gewonnen.

In Fig. 2 ist eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1 wiedergegeben, wobei gleiche Bezugs- ' " -" ziffern gleiche Elemente bezeichnen. Der Unterschied zwischen diesem Schaltkreis und dem in Fig. 1 dargestellten besteht darin, daß die Widerstände R^* und Rs,ρ hinzugeschaltet wurden. Der Vorteil der sich durch Zuschaltung des Widerstandes R^ ergibt, besteht darin, daß ein umgekehrtes Ausgangssignal gewonnen werden kann. Das umgekehrte Ausgangssignal besteht in einer Spannung V_Q, welche umgekehrt proportional der Frequenz des periodischen Eingangssignals ist, daß heißt, d; s umgekehrte Ausgangssignal ist eine Spannung, die mit steigender Frequenz des Eingangssignals abnimmt. Eine normale₇direkt proportionale Spannung kann am Widerstand R^₀ abgegriffen werden, wie zuvor beschrieben wurde.

In Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild einer Schaltung wiedergegeben, die denjenigen nach Fig. 1 und 2 ähnlich ist, ttfobei gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen. Diese Schaltung unterscheidet sich jedoch von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen dadurch, daß sie eine Kombination aus integrierten Schaltkreiselementen und einzelnen Bauelementen aufweist. Daher sind viele der Widerstände, der Dioden und der Transistoren innerhalb eines monolithischen "Plättchens" 26 eingebaut darstellt. Das Plättchen weist mehrere Klemmen auf, die von 1 bis 14- beziffert sind, mit denen die einzelnen Schaltkreiselemente verbunden sind.

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In der AusführungGform nach Pig. 3 ist der Transistor Q₇ durch einen PNP-Transistor mit einem geringen Verstärkungsgrad und durch einen normal diffundierten Epitaxial-NPN-Transistor mit einem hohen Verstärkungsgrad ersetzt, wobei beide Einheiten wie ein einzelnes PTiP-Element mit hohem Verstärkungsgrad zusammenwirken. Ein zusätzlicher Schutz gegen Spannungsverzerrungen wird durch eine Reihe in Sperrichtung betriebener Emitter-Basisübergänge Q₁-, Qg und Qr₇ erzielt, die auf das Plättchen aufdiffundiert sind. Diese Reihe ^. von Elementen wirkt wie eine .Zenerdiodei wobei jedes Element eine besondere Durchbruchspannung aufweist.

Patentansprüche:/

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Claims (7)

1. -4ψ -

   Patentansprüche 2 1 A 3 6 7

   \1J Frequenz-Spannung-Wandler, insbesondere zur Umwandlung eines periodischen, elektrischen Signals in ein Signal mit einer mittleren Spannung, die der .Frequenz des periodischen, elektrischen Signals proportional ist, dadurch gekennzeich· net, daß eine Klemme eines Kondensators (C,,) mit dem Emitter eines Transistors (Q₂) verbunden ist. und das periodische, elektrische Signal der anderen Klemuie des Kondensators (CL) zugeführt wird, daß ein weiterer Kondensator (C₂) zu einem Widerstand (Rg) parallel liegt und zwischen dem Emitter des Transistors (Qo) und einem der Anschlüsse des Kondensators (C₀) eine Diode (D^) geschaltet ist, und daß mit der Basis des Transistors (Q₂) Transistorkreise (Q-, Q^) verbunden sind, um zu erreichen, daß der absolute Wert der zugeführten Spannung den Wert der Spannung übertrifft, die an der einen Klemme des Kondensators (C₂) anliegt.
2. 2. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Transistorkreise (Q,, Q₂,) einen zweiten Transistor (Q^) aufweisen, dessen Emitter mit der Basis des Transistors (Q₂) und dessen Basis mit der einen Klemme des Kondensators (C₀) verbunden ist, derart, daß die der Basis des Transistors (Q₂) zugeführte Spannung den Wert der an der einen Klemme des Kondensators (C₀) vorhandenen Spannung um einen Betrag übertrifft, der etwa gleich der Emitter-Basisspannung des Transistors (Q₂) ist.
3. 3. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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   die Basis eine Transistors (Q^) mit dem Emitter des Transistors (Q^) verbunden ist und df β ein Ausgangsxiriderstand (R^q) mit dem Emitter des Transistors verbunden ist.
4. 4. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Q^) einqihohen VerStärkungsgrad aufweist, derart, daß die Frequenz-Spannungs-Wandlerschal tung mit einem hohen Eingangs-und einem geringen Ausgangswiderstand versehen ist.
5. 5. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeich net, daß mit dem Transistor (Q?) ein Widerstandskreis derart verbunden ist, daß eine Ausgangsspannung erzielt vri.r.d, die der Frequenz des periodischen, elektrischen Signals umgekehrt proportional ist.
6. 6. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet , daß ein periodisches Eingangssignal zwischen der Basis und dem Emitter eines Transistors (CL) zugeführt wird, derart, daß dieser in Abhängigkeit von der Veränderung des periodischen, elektrischen Eingangssignals von einem leitenden in einen nichtleitenden und zurück in einen leitenden Zustand übergeht, wobei ein Kondensator (C,,) mit einer Klemme an den Emitter des Transistors (Qo) und seine andere Klemme an den Kollektor des Transistors (Q^) geschaltet ist, und daß ein Widerstand zu dem Kondensator (Qo) parallel liegt und eine Diode (D^,) zwischen dem Emitter des Transistors (Qp) und einer Klemme des Kondensators (Co) liegt.

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7. 7. Frequenz-Spannungs-V/andler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß Widerstände (E^, R₂, R-.) und Dioden (B^, D₂) mit der. Basis-des Transistors (Q^) verbunden sind, um die Änderung seines Leitzustandes in Abhängigkeit von der Änderung des periodischen, elektrischen Eingangssignals sicherzustellen.

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   3D

   Lee rse i te