DE2154415C3 - Spannungsfrequenzumsetzer - Google Patents

Description

Klasse 21 al 36/00, beschrieben. 60 schaltet werden.

Bei einem Spannungsfrequenzumsetzer der bekann- Die Erfindung wird anhand einer Figur, die ein

ten Art wird die zu messende Spannung in eine Ausführungsbeispiel in Blockdarstellung zeigt, näher Impulsfolge überführt, deren Frequenz der Eingangs- erläutert

spannung des Spannungsfrequenzwandlers direkt pro- An der Eingangsklemme eines Verstärkers Vt liegt

portional ist Die innerhalb einer bestimmten Zeit in 65 eine Eingangsspannung UK Der Ausgang des Verstäreinen Zähler eingezählten Impulse der Impulsfolge kers ist mit den Eingängen von zwei Stromquellen Q1 ""^k°" Ί»η fthi>r diese Zeit Bemittelten Wert der bzw. Q 2 verbunden, mit Hilfe derer die Eingangsspannung in proportionale Ströme von untereinander

verschiedener Richtung umgewandelt werden kann. Die Stromrichtung, die jeweils für die Umladung eines Kondensators C1 maßgeblich ist, wi/d von der jeweils eingeschalteten Quelle Ol bzw. Q 2 bestimmt. Dazu werden die Quellen über Steuerleitungen L1 bzw. L 2 von zwei Ausgängen eines bistabilen Schaltkreises FI gesteuert Zwei Eingänge des bistabilen Schaltkreises Fl sind mit den Ausgängen von zwei spannungsvergleichenden Verstärkern V'3 bzw. V 4 verbunden. An zwei Eingängen jedes dieser spannungsvergleichenden Verstärker liegen einerseits die über einen Verstärker V2 verstärkte Ladespannung des Kondensators CX und andererseits zwei vorgegebene Spannungspegel UK bzw. UO. Der bistabile Schaltkreis Fl ist so eingerichtet, daß seine beiden über die Leitungen Ll und L 2 nach außen geführten Schaltzustände davon abhängig sind, ob die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V2 kleiner als UO oder größer als der Spannungspegel £7ΛΓ ist.

Die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V2 wird der Spannung am Kondensator C1 annähernd gleichgemacht, weil der hochohmige Verstärker V 2 den Verstärkungsfaktor 1 hat. Wie in der Figur angedeutet, hat die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V2 eine Dreiecksform mit einer konstanten Amplitude. Die Grundfrequenz der Dreiecksschwingung ist dabei der Eingangsspannung t/fdirekt proportional.

Ein kleiner Übersetzungsfehler zwischen der Eingangsspannung UE und der Ausgangsspannung UA des Versitärkers V2, der wegen der endlichen Umschaltgeschwindigkeit der Stromquellen QX und Q2 auftritt, wird dadurch gering gehalten, daß die Frequenz der Ausgangsspannung UA des Verstärkers V2 nicht größer als etwa 1OkHz gewählt wird. Die Länge der Rampen der dreieckförmigen Spannung UA und damit die Umschaltfrequenz ändert sich analog mit der Spannung UE An den Ausgang des Verstärkers V2 ist der eine Eingang eines weiteren Spannungsvergleichers V5 von großer Ansprechgeschwindigkeit angeschlossen. Der zweite Eingang dieses Spannungsvergleichers V5 ist an die Ausgangsspannung UD eines Digital-Analog-Umsetzers DA U angeschlossen. Die Ausgangsspannung UD des Digital-Analog-Umsetzers DAU ist proportional dem jeweiligen Zählerstand eines den Digital-Analog-Umsetzer DAUsteuernden Zählers ZX. Der Zähler Z1 ist ein bidirektionaler Zähler. Seine Vor- und Rückwärtszähleingänge sind mit den Ausgängen zweier UND-Gatter GX bzw. G 2 verbunden. Die UND-Gatter weisen je drei Eingänge auf, je ein Eingang beider Gatter wird vom Ausgang eines Taktgenerators TG beaufschlagt. Ein weiterer Eingang des UND-Gatters; G1 ist mit einem Ausgang des Spannungsvergleichers V5 verbunden, und zwb»· mit demjenigen Ausgang, der bei die rückgeführte Nachlaufspannung UD überwiegender Ausgangsspannung UA des Verstalkers V2 Signal führt. Ein zweiter Eingang des UND-Gatters G2 ist mit demjenigen Ausgang des Spannungsvergleichers V 5 verbunden, der bei die Auügangsspannung UA des Verstärkers V2 überwiegender Nachlaufspannung UD Signal führt Jeweils dritte Eingänge der UND-Gatter G X und G 2 sind mit den beiden die jeweiligen Schaltzustände des bistabilen Schaltkreises Fl übermittelten Leitungen verbunden. Die Ausgänge der UND-Gaiier Gl und G 2 sind außerdem mit den beiden Eingängen eines NOR-Gattens G 3 verbunden, an dessen Ausgang eine Impulsspannung UP abgenommen werden kann, deren Frequenz der Eingangsspannung UE proportional ist.

Die Wirkungsweise der Schaltung wird im folgenden erläutert Steigt die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V2, so wird durch die dann vorliegende Schaltstellung des bistabilen Schaltkreises Fl das UND-Gatter G1 freigegeben. Der Zähler Z1 bekommt in diesem Falle Impulse des Taktgenerators TG über seinen Vorwärtszähleingang. Die rückgeführte Nachlaufspannung (/Dam Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers DAU nimmt dabei kontinuierlich zu, solange UA>UD ist Immer wenn von den beiden irn Spannungsvergleicher V5 verglichenen Spannungen UA<UD ist, führt der Ausgang UA>UD des Spannungsvergleichers V5 kein Signal, deshalb sind beide Gatter Gl und G2 gesperrt, der Zählerstand steigt nicht an. Überwiegt dann UA wieder UD, so wird durch weiteres Vorwärtszählen des Zählers ZX die Spannung UDder Spannung UA weiter nachgeführt. In der zweiten Phase, wenn die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V2 abfällt, zählt der Zähler Z1 rückwärts. Die Nachlaufspannung UD nimmt dabei ab. Solange UA < UD ist, bekommt der Zähler Z1 Zählimpulse über das UND-Gatter G 2, also über seinen Rückwärtszähleingang. Somit wird auch in dieser Phase die Spannung UDder Spannung UA andauernd nachgefahren.

Wenn die Taktfrequenz genügend groß ist, so ist die Anzahl der Zählimpulse, die auf jede Phase entfallen, konstant, denn in jeder Phase wird immer die Anzahl von Impulsen ermittelt, die der Größe der Differenz der beiden Spannungspegel UK und UO entspricht. Die Zeitdauer der Umladephasen ändert sich dagegen mit der Eingangsspannung UE. Wenn die Anzahl der Zählimpulse in jeder Umladephase konstant ist, muß die mittlere Frequenz der Zählimpulse der Zeitdauer der Umladephasen direkt proportional sein.

Bei der Dimensionierung eines Spannungsfrequenzumsetzers nach der Erfindung wird zweckmäßig die kürzeste Zeit einer Auf- bzw. Entladephase der Spannung UA festgelegt Diese Zeit muß so gewählt werden, daß die Umschaltzeiten der Quellen Q1 und Q 2 nicht ins Gewicht fallen. Als Umschaltzeiten der Quellen können bei derzeitig zur Verfugung stehenden Bauelementen einige ns vorausgesetzt werden. Dann sollte bei einer angestrebten Genauigkeit von besser als 0,1% die kürzeste Zeitdauer einer Umladephase größer als einige μ5 sein. Werden beispielsweise für diese Zeit 50 μ5 veranschlagt, dann bekommt die dreieckförmige Spannung UA eine Grundfrequenz von 10 kHz. Wird weiter angenommen, daß bei einem ausgeführten Beispiel der Nachlaufkonverter die Amplitude von UA in 1024 Schritten (10 Bit) nachfahren soll, dann muß eine Einheit des Digital-Analog-Umsetzers

DAU =

UK

TÖ24

sein. Seine Einstellzeit ist dann kleiner als

Dementsprechend muß der Taktgenerator TG Impulse liefern, die eine etwas höhere Folgefrequenz als 20 MHz haben. Durch weitere Dimensionierungsmaßnahmen kann erreicht werden, daß die Amplitude der Spannung UA genau !024ma! so groß ist wie eine Spannungseinheit, die auf eine Einheit des Zählers Zl entfällt Mit einem so dimensionierten Spannungsfrequenzumsetzer ist eine Genauigkeit von erheblich besser als 0,1% zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. * -hpr die Meßzeit integriert Bei Messungen mit

   H^rlrtieen Spannungsfrequenzumsetzern hängt die Patentansprüche: mIr JeMuiekeit nicht nur vom Fehler des Umsetzers an

   Soannungsfrequenzumsetzer, bei dem ein ^MeDge _onde?_{n auch} von der Dauer der Meßzeit und

   daß der bistabile Schaltkreis (FX) ^atzl.chzwe .ο ^ ^ _{Disner u}_„ ..... ^

   dem Vor-bzw. Rückwärtszähleingang des Zahlers _A"_{f be lag} der Erfindung zugrunde. ST) eines Nachlaufkonverters für die gegebenen- Aufea g ^ _Aufgab , _der Spannungsfrefalls verstärkte Ladespannung (UA) des Kondensa- *ⁿ _zumsef_zer, _bei dem ein Kondensator e.ngangs-

   tors (CX) vorgeschaltete UND-Gatter (G I bzw. ^_a ^e _nnungsprOportional zwischen zwei vorgegeoenen GI) steuert und die Ausgänge der UND-Gatter ,5 span * £ _hen Spannungspegeln umgeladen wird, (GX, G2) über ein NOR-Gatter (G3) verknüpf umer ^ ^ ^₁. Unzeiten getasteter' 'sind, an dessen Ausgang eine Impulsfolge ^ mit wob _{Schaltkreis die} Vorze.chenumkehr der Laeingangsspannungsproportionaler Folgefrequenz ^_{3 steuer}t, ist gemäß der Erfindung anfällt _k , dadurch gekennzeichnet, daß der bistabile Schaltkreis
2. 2. Spannungsfrequenzumsetzer nach Anspruch, 1 20 dadm^g ^. _{dem yor}_ ^ _Ruckwärt_{S2ähleingang} dadurch gekennzeichnet, daß der Nachlaufkonverter zu» _{eines Nach},_aufkonverters fur die gegebe-

   einen mit zwei vom Vorzeichen ^r Differenz seiner de _verstarkte Ladespannung des Kondensators

   Eingangsspannungen (UA bzw. UD) abhangigen «n _UND._Gatter steuert und die Ausgange

   Ausgängen ausgestatteten Spannungsvergleich« ^ _ND._{Gatter über} ein NOR-Gatter verknüpft sind, (VS) für die Kondensatorspannung (UA) und die 25 " Ausgang eine Impulsfolge mit eingangsspan-

   iuckgemhrteNachlaufspannungWenthältderen ™J™™ZLlr Folgefrequenz anfällt einer bei überwiegender Kondensatorspannung _Di_e Rampen der Ladespannung des Kondensators

   signalführender, mit einem zweiten Eingang des dem _{Hüfe des} Nachlaufkonverters in kleine

   Vorwärtszähleingang des Zählers (ZX) vorgeschal- wera^ _aufgelöst, deren mittlere Frequenz der

   teten UND-Gatters (GX) verbunden und deren 30 g» _u proportional ist. Der Spannungsfre-

   anderer, bei überwiegender Nachlaufspannung (UD) "Jn * ^_{tzer nac}h der Erfindung hat deshalb eine signalführender, an einen zweiten Eingang des dem qu _{Auflösung und ist des}halb schneller und genauer Rückwärtszähleingang des Zählers (Z X) vorgescnai- Süannungsfrequenzumsetzer nach dem Stande der

   teten UND-Gatters (G 2) angeschlossen ist Technik
3. 3. Spannungsfrequenzumsetzer nach Ansprucn 1 35 _Zweckmäßig enthält der N achlauf konverter einen oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dritten _{wm Vorzeiche}n der Differenz seiner Eingängen der UND-Gatter (GX und G 2) der ™_nungen abhängigen Ausgängen ausgestat-Ausgang eines Taktgenerators (TG; hegt β «i,_annungsvergleicher für die Kondensatorspan-
4. 4. Spannungsfrequenzumsetzer nach Ansprucn 1 ι - κ _{unrf die} ^,,^^Γΐβ Nachlaufspannung oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, ₄° ""Jf_{rerseits Die} Nachlaufspannung wird in bekannter daß die verstarkte Eingangsspannung (Ut) zwei _e__{nem z}„_{hler mit} „abgeschaltetem Digital-Stromquellen (QX, QX) unterschiedlicher Strom- J_n .οβ-Umsetzer entnommen. Der bei die Nachlaufrichtung steuert, die von Signalen aus zwei β _überwiegender Kondensatorspannung signal-Ausgängen des bistabilen Schaltkreises ^Fl) ab- spa *_{A des} Spannungsvergleichers ist mit wechselnd ein- bzw. ausgeschaltet sind und deren ₄5 ^Ι^^ί _Eingang des dem Vorwärtszähleingang Ströme den Kondensator (C X) umladen. ^ Zählers vorgeschalteten UND-Gatters verbunden,

   _{und der} bei die Kondensatorspannung überwiegender

   Nachlaufspannung signalführende Ausgang des Spante ntinaQVPrßleichers ist an einen zweiten Eingang des dem

   Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsfre- ₅o J^j££g£_{ng des} Zählers vorgeschalteten quenzumsetzer nach dem Dual-Slope-Pr.nzip, bei dem J^uc _D ^w^^^^ng _escmOssen. An dritten Eingängen der ein Kondensator proportional einer E'ngangsspannung UND Oa «rs a^g ^^ ^ _ato„

   zwischen zwei vorgegebenen unterschiedlichen Span- UND Cjrtter ™*

   nungspegeln umgeladen wird. Dabei steuert e«.,von de ^i^SSrunihdung wird zweckmäßig durch Dauer der Umladeze.ten des Kondensators,getasteter 55 H^ie _vo^ _{der verstärkten} Eingangsspannung gesteuerte bistabiler Schaltkreis die Vorzeichenumkehr der La- ^^JJ^ _unterSchiedlicher Stromrichtung gedungsvorgänge des Kondensators. ^ Signalen aus zwei Ausgängen des n;„ ^.rortmor Snanniinesfreauenzumsetzer ist bei- steuert, uic >»« e v,^\^a »;_n. k,«, »■■«».