DE2220364A1 - Frequenz-spannungs-wandler - Google Patents

Description

41/72 . He.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Frequenz-Spannungs-Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenz-Spannungs-Wandler, bestehend aus einer Schaltungsanordnung zur Ableitung von Impulsen konstanten Energiegehalts aus einem Eingangssignal mit einer Wiederholfrequenz proportional zu der Frequenz des Eingangssignals und einer Einrichtung zur Bildung des Mittelwerts der so gewonnenen Impulsfolge.

Frequenz-Spannungs-Wandler beruhen meist auf folgendem bekannten Prinzip: Während jeder, bzw. während jeder nten Periode eines Signals, dessen Frequenz bestimmt werden soll, wird ein Impuls konstanten Energiegehalts, d.h. mit konstanter Amplitude und Pulsbreite, erzeugt. Aus der

309846/0580

so erzeugten Impulsfolge wird der Mittelwert gebildet. Dies kann beispielsweise mittels eines Tiefpassfilters erfolgen. Dieser Mittelwert ist proportional zur Frequenz des Eingangssignals.

Die erzielbare Genauigkeit der Umwandlung wird wesentlich von der Art der Ableitung der Impulse bestimmt. Während es mit relativ einfachen Mitteln gelingt, die Pulsamplitude konstant zu halten, ist die Erzielung konstanter Pulsbreiten mit Schwierigkeiten verbunden. Die zeitbestimmenden Glieder ändern sich durch Temperaturschwankungen und Alterung. Insbesondere bei der Verwendung eines monostabilen Multivibrators beeinflussen die Temperaturbeiwerte der zeitbestimmenden RC-Glieder ebenso wie Aenderungen von Halbleiter-Kennlinien die Genauigkeit der Frequenz-Spannungs-Umwandlung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Frequenz-Spannungs-Wandler zu schaffen, der die Nachteile bekannter Wandler nicht aufweist, der sich durch einfachen Aufbau und hohe Genauigkeit und Linearität auszeichnet.

Die vorgenannte Aufgabe wird bei einem Frequenz-Spannungswandler der eingangs aufgeführten Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein hochstabiler freischwingen-

309846/0580

- 5 - 41/72

der Oszillator zur Ableitung von Impulsen konstanten Energiegehalts vorgesehen ist. Vorzugsweise findet dabei ein Oszillator mit einem Schwingquarz als frequenzbestimmenden Glied Verwendung.

Die Erfindung wird nachstehend an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Frequenz-Spannungs-Wandlers nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Impuls-Zeit-Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung,

Fig. J3 ein Ausführungsbeispiel eines elektronischen Schalters. .

Dem Ausführungsbeispiel liegt eine sogenannte flankengetriggerte Logik zugrunde, bei der die Kippstufen auf positiv gehende Flanken eines <SCg*va.£a reagieren.

Das Eingangssignal U₁-, wird einem ersten Schmitt-Trigger 1

Et

zugeführt und in eine rechteckförmige Spannung U, gleicher Frequenz umgeformt. Liegt das Eingangssignal bereites in einer von der nachgeschalteten Logik verarbeitbaren Form, z.B. in Rechteckform vor, so kann der Schmitt-Trigger 1 entfallen. Die Spannung U, wird dem S-Eingang eines Set-Reset-Flipflop 2, kurz RS-Flipflop bezeichnet, zugeführt.

309848/0580 C

u ill/72

Der Q-Ausgang dieses Flipflop ist an den J-Eingang eines JK-Flipflop 3 angeschlossen. Die Ausgänge Q und Q dieses Flipflop sind mit dem J- bzw. K-Eingang eines weiteren JK-Flipflop 4 verbunden. Der Q-Ausgang dieses Flipflop ist an den R-Eingang des RS-Flipflop 2 geführt. Der Q-Ausgang des JK-Flipflop 4 ist auf den K-Eingang des ersten JK-Flipflop 3 geführt. Die Clockeingänge C__tCj, der beiden JK-Flipflops 2 und 4 sind jeweils mit dem Q- bzw. Q-Ausgang eines weiteren Schmitt-Triggers 5 verbunden, an dessen Eingang ein quarzgesteuerter Oszillator 6 angeschlossen ist»

Der Q-Ausgang des zweiten JK-FlIpflop 4 dient gleichzeitig als Ausgang der oben beschriebenen Schaltungsanordnung, deren Auegangsspannung U₂. eine Impulsfolge von Rechteckimpulsen konstanter Pulsbreite und einer der Frequenz des Eingangssignal U-, entsprechenden Wiederholfrequenz darstellt. Dies geht aus folgend«· hervor;

Als Anfangszustand (t »"%) wird angenommen, dass alle Spannungen U₁ bis UV (U^ bedeutet hier die Spannung an Ausgang des Bausteins i, U₁ ihr logische* Kompleiient) gleich Mull sind.(Flg.2). Di· Anstiegsflanke von U₁ setzt den Rs-Flipflop 2 hoch. A« J-Eingang des JK-Flipflep 5 liegt dann L. Bei der nächstfolgenden Anstiegsflanke von

309846/OSIO

• 41/72

Up. wird der JK-Flipflop 3 hochgesetzt (U-, = L). Da nun auch am j-Eingang des JK-Flipflop 4 L anliegt, kann dieser bei der nächstfolgenden Anstiegsflanke von Up. hochgesetzt werden (U₂, = L). Am K-Eingang des JK-Flipflop 3> liegt nun L an; wird\dieser durch die nächstfolgende ("Flanke von Up. zurückgesetzt. Infolgedessen liegt auch am K-Eingang des JK-Flipflop 4 L an und dieser'" ^*'" Flipflop wird durch die nächste positive Flanke von Up. zurückgesetzt. Gleichzeitig setzt Uuden RS-Flipflop 2 zurück.

Wie aus dem Impuls-Zeit-Diagramm der Fig..2 ersichtlich ist, entsteht während einer Periode des Eingangssignals Ug ein Uh-Impuls, dessen Pulsdauer durch die Periodendauer der Oszillatorausgangsspannung Ug respektive durch die Pulsdauer der lL-Impulse bestimmt ist. Anstiegs- und Abfallflanke der U^-Impulse hängen nur von der Schaltgeschwindigkeit der Logik ab.

Es ist zu beachten, dass in dem angegebenen Beispiel der U,-Impuls die gleiche Pulsbreite aufweist wie der U^-Impuls. Dies ist deshalb der Fall, weil in dem Impuls-Zeit-Diagramm die Frequenzen von Eingangssignal und Oszillator-Ausgangsspannung in einer festen Phasenbeziehung stehen. Aus diesem Grunde istkeine Koinzidenz zwischen den

309846/0580

11/72

Anstiegsflanken von U, und LL (und dann auch U,) möglich; die sich auf die Länge des !!.,-Impulses auswirken kann. Kommt ^beispielsweise die Anstiegsflanke von U₁- umATt füher als die von U, (innerhalb der zulässigen Toleranz für die verwendete Logik), so entsteht auch eih^: Wyrlüir ; puls, der etwa um Δ t kürzer ist. Aus diesem Grunde ist es nicht^zwecßmässigV'äÖn^Q-Ausgang des JK-Flipflop 3 als Ausgang zu benutzen, wenn grosse Genauigkeit erzielt werden soll.

Durch die Nachschaltung des JK-Plipflop 4 werden die obengenannten Nachteile zuverlässig vermieden. Da der JK-Flipflop 4 mit einem um eine halbe Periode verschobenen Signal tJL gesteuert wird, können auf diese Weise keine Koin-

zidenzen mit dem Eingangssignal entstehen, so dass die Dauer der IK-Impulse keinen parasitären Einflüssen unterworfen sind, ihre Pulsbreite nur von der der U,--Impulse abhängt.

Um auch die Amplitude der Ausgangsimpulse mit höchster Genauigkeit konstant zu halten - an sich liefert die logische Schaltung schon relativ konstante Pulsamplituden ist es vorteilhaft, mittels der Uh-Impulse einen vorzugs-

weise elektronischen Schalter anzusteuern. Dieser Schalter verbindet eine Konstantstromquelle 8 mit einem Wi-

309846/0580

11/72

' ⁷ " 222ΐΐ64

derstand 9, an dem sich ein definierter Spannungsabfall U_q einstellt. Schaltet man parallel zu diesem Widerstand einen Tiefpass 10 (in Fig. 1 nur symbolisch angedeutet)« so ist bei entsprechender Wahl der ZeItkonstanten die Ausgangsspannung U. des Tiefpasses proportional zur Frequenz des Eingangssignals U_£ und kann beispielsweise an einem direkt in Frequenzeinheiten geeichten Messinstrument 11 abgelesen werden.

In Fig. 3 1st ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Schalters dargestellt. In der gezeigten Anordnung ist der Schalter für eine Logik mit negativer Betriebsspannung (z.B. MECL II von Motorola) geeignet. Bei einer derartigen Logik ist der Spannungspegel der logisohen"EINS^H annähernd -0,f VoItV ^der Pegel der logischen ¹¹MtILI." annähernd gleich - 4$* i/btt.

Der Q-Au*gang des JK-Flipflop k ist an die Basis eines transistors 12, sein Q-Ausganf an die Basis eines weiteren Transistors 13 geführt. Beide Transistoren haben einen ieMstnsajMn Emitterwideretand Xk, der an den Minuspol einer zwischen Widerstand 1*. und Masse geschalteten V**"¹"*?-''' quelle 15 geschaltet 1st. Der Kollektor des Transistors 12 liegt an Masse, der des Transistors 15 liegt Über eine

309846/0580

BAD ORIGINAL^f

41/72

Diode 16 an Masse bzw. über eine weitere Diode 17 am Pluspol einer Stromquelle 8. Zwischen dem diodenseitigen Ende der Stromquelle 8 und Masse liegt eine aus einer Diode und dem Widerstand 9 bestehende Reihenschaltung, die ihrerseits mit dem Tiefpass 10 verbunden ist. Der Tiefpass kann im einfachsten Fall ein passiver Tiefpass sein, kann jedoch auch aus aktiven und passiven Elementen aufgebaut sein .

Dieser oben beschriebene Schalter tritt an die Stelle der in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellten aus Schalter Ti Widerstand 9 und Stromquelle 8 bestehenden Anordnung. In Verbindung mit den Übrigen oben beschriebenen Elementen liefert diese Anordnung am Widerstand 9 Impulse, deren Energiegehalt extrem konstant ist. Dabei bestimmt der elektronische Schalter die Amplitude der Impulse, die Pulsdauer wird durch den hochstabilen Oszillator 6 bestimmt. Anstiegs- und Abfallzeit der Impulse, Grossen welche sioh letzlich ebenfalle auf die Konstanz der Pulsdauer auswirken, sind nicht mehr durch irgendwelche parasitäre Einflüsse bestimmt, sondern hängen nur noch von der Anstiegszeit der logischen Schaltung ab.

Einen wesentlichen Einfluss auf die Genauigkeit der Frequenz -Spannungs-Wandlung hat das Verhältnis zwischen der

309846/0580

11/72

maximal zu verarbeitenden Signalfrequenz f„ einerseits

Ei

und der Periodendauer Tg der Ausgangsspannung des Oszil lators 6 und der Anstiegszeit 'ts der logischen Schaltung. Zwischen diesen Grossen gilt folgende Beziehung:

^fEmax -

Die maximal mit der geforderten Genauigkeit zu verarbeitende Frequenz wird gemäss dieser Beziehung hauptsächlich durch t_lo~ bestimmt. Diese Zeit lässt sich jedoch nicht beliebig verkleinern bzw. ist durch die Kenndaten der auf dem Markt erhältlichen logischen Bausteine bestimmt.

Sollen Eingangssignale mit sehr hoher Frequenz f„ verarbeitet werden, so ist es zweckmässig, einen Frequenzteiler 19 zwischen den Schmitt-Trigger 1 und den Eingang des RS-Flipflop 2 zu schalten. Frequenzteiler sind bekannte Bausteine der Digital-Technik. Sie sind meist als in monolithischer Technik ausgeführte Schaltungen erhältlich und weisen auch die geforderte Genauigkeit und Schnelligkeit auf.

309846/0580

Claims (1)

1. 7 D

   Patentansprüche

   1.J Frequenz-Spannungs-Wandler, bestehend aus einer Schalst '

   tungsanordnung zur Ableitung vom Impulsen konstanten Energiegehaltes aus einem Eingangssignal mit einer Wiederholfrequenz proportional zur Frequenz des Eingangssignals und einer Einrichtung zur Bildung des Mittelwertes der so gewonnenen Pulsfolge, dadurch gekennzeichnet, dass ein hochstabiler freischwingender Oszillator (6) zur Ableitung von Impulsen (U^) konstanten Energiegehaltes vorgesehen ist.

   2. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (7) quarzstabilisiert ist.

   3. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer (Tg) der Ausgangsspannung (Ug) des Oszillators (7) höchstens kO% der Periodendauer des maximal zu verarbeitenden Eingangssignals (Ug) beträgt.

   k. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine logische Schaltung (2,3,²O zur Ableitung von Impulsen konstanter Pulsbreite und ein elektronischer Schalter (7) zVir Umformung der genannten Impulse in solche konstanter Amplitude vorgesehen 1st, und dass die Impulse konstanten Energiegehaltes einem Tiefpassfilter (10) zugeführt sind.

   309846/0580

   41/72 D - 11 -

   5. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmitt-Trigger (1) zur Signalaufbereitung des Eingangssignals (Ug) vorgesehen ist.

   6. Frequenz-Spannungs-Wandler nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Frequenzuntersetzung des Eingangssignals (Ug) der logischen Schaltung (2,3,4) ein Frequenzteiler (19) vorgesehen ist.

   Aktiengesellschaft Brown, Boveri & CIe.

   309846/0580