DE2330090C3 - Bipolarer Spannungs-Frequenz-Umsetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen bipolaren Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einem Eingangskondensator zur Integration eines Eingangssignals und mit zwei auf einen bestimmten positiven bzw. negativen Ladungszustand des Eingangskondensators ansprechende Komparatoren und Kippschaltungen enthaltenden Kanälen zur kompensierenden Rückführung konstanter negativer bzw. positiver Ladungsmengen an den Eingangskondensator.

Ein derartiger Spannungs-Frequenz-Umsetzer ist in der franösischen Patentschrift 12 35 969 beschrieben. Die Genauigkeit der Umsetzung einer Eingangsspannung in eine Frequenz hängt unter anderem besonders von der Konstanz der an den Eingangskondensator im Takt der Ausgangsfrequenz zurückgeführten Ladungsmengen ab. Beim Gegenstand der französischen Patentschrift wird der gleichbleibende Energiegehalt der einzelnen rückgeführten Signale mit Hilfe von zwei Sättigungstransformatoren in den Rückführkanälen angestrebt. Es ist 'edoch bekannt daß insbesondere die Temperaturkonstanz von magnetischen Einrichtungen nicht besonders gut ist Darüber hinaus können, wenn in den zwei Kanälen je ein anderer sättigbarer Transformator verwendet wird, auch unterschiedliche Temperaturgänge für die zwei Kanäle auftreten.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einem eingangs bipolaren Spannungs-Frequenz-Umsetzer die erwähnten Mängel zu beheben. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß den Komparatoren ein

ίο Multivibrator nachgeschaltet ist, dessen Ausgang über von Ausgangssignalen der Komparatoren gesteuerte Logikelemente in Wirkverbindung mit zwei Schaltern zu Anschluß eines einzigen Kompensationskondensators an eine bipolare Kompensationsspannungsquelle steht

Damit wird als die Genauigkeit der Umsetzung wesentlich bestimmendes Element nur ein einziger Kompensationskondensator benutzt Dessen die riickgeführten Ladungsinengen bestimmenden Kennwerte sind weniger temperaturabhängig als die Kennwerte von Transformatoren mit Sättigungskernen. Auch wird als Kompensationsspannungsquelle für beide Kanäle eine einzige Referenzspannung benutzt.

Zweckmäßig besteht die bipolare Kompensations-Spannungsquelle aus den Ausgängen zweier Operationsverstärker, deren negierende Eingänge über einen Wiederstand miteinander verbunden und jeweils an den zugehörigen Ausgang einerseits unmittelbar, andererseits über einen Widerstand angeschlossen sind und deren andere Eingänge einerseits am Abgriff eines Spannungsteilers, andererseits an Masse liegen.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Logikelemente mit dem Multivibrator über zwei hintereinandergeschaltete Monoflops verbunden und ist ein Betätigungseingang eines dritten Schalters zur Verbindung des Kompensationskondensators mit dem Eingangskondensator unmittelbar an den Ausgang des Multivibrators angeschlossen.

Als Schalter werden zweckmäßig Feldeffekttransistoren vorgesehen.

Die Erfindung wird anhand einer Figur, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher erläutert.

Zwei Eingangsklemmen E und O liegen über Widerstände R1 und R 2 am negierenden bzw. nicht negierenden Eingang eines Operationsverstärkers /1. Der negierende Eingang der Operationsverstärkers /1 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über einen Eingangskondensator Cl verbunden, der den Integrationskondensator des zusammen mit dem Operationsverstärker /1 gebildeten Miller-Integrators darstellt. Der Ausgang des Operationsverstärkers /1 ist jeweils mit dem negierenden bzw. nicht negierenden Eingang zweier weiterer Operationsverstärker /2 und /3 verbunden. An den zweiten Eingängen der Operationsverstärker /2 und /3 liegt jeweils eine positive bzw. negative Referenzspannung, die über zwei Zenerdioden ZDl bzw. ZD 2 stabilisiert ist. Die Zenerdioden sind über Wiederstände R 3 bzw. R 4 mit zwei Betriebsspannungen von + 24 V und — 24 V führenden Leitungen verbunden und an eine Masseleitung angeschlossen. Von den Eingangsklemmen der Operationsverstärker /2 und /3 liegen jeweils Widerstände R 5, R 6, und R 7 und RS. Ausgänge der Operationsverstärker /2 und /3 sind an Eingänge eines ODER-Gatters /4 angeschlossen. Der Ausgang des ODER-Gatters /4 ist an den Eingang eines Multivibrators /5 gelegt Der Ausgang des Multivibrators /5 ist über zwei hintereinandereeschaltete Monofloos /6 und

/7 mit je einem Eingang zweier NAND-Gatter /8 bzw. /9 verbunden. Die anderen Eingänge der NAND-Gatter /8 bzw. /9 liegen am Ausgang der als Komparatoren dienenden Operationsverstärker /2 bzw. /3. An den Ausgängen der NAND-Gatter /8 und /9 sind Ausgangsklemmen Al bzw. A 2 εr.geschlossen, an denen je nach Poliarität der an der Eingangsklemme E liegenden Spannung eine Impulsfolge mit einer der Höhe der Eingangsspannung proportionalen Folge.*requenz entnommen werden kann. Weiter liegen die Ausgänge der NAND-Gatter /8 bzw. /9 an Steuereingängen zweier Schalter 7*3 bzw. 7*5. Der eine Pol des Schalters 7*3 ist mit dom Ausgang eines Operationsverstärkers /10 verbunden, während der andere Pol des Schalters 7*3 an einem Belag eines Kompensationskondensators C2 liegt, dessen anderer Belag mit Masse verbunden ist Analog liegt der eine Pol des Schalters 7*3 am Ausgang eines Operationsverstärkers /11. Der andere Pol des Schalters 7*5 ist ebenfalls mit denn schon erwähnten Belag des Kompensationskondensators C2 verbunden. Die Steuerelektrode eines weiteren Schalters 7*4 ist an den Ausgang des Multivibrators /5 angeschlossen. Der eine Pol des Schalters 7*4 liegt über einen Widerstand R 9 ebenfalls an dem mit Masse in Verbindung stehenden Belag des Kompensationskondensators C2. Der .andere Pol des Schalters 7"4 ist mit einer Rückführungsschleife an den negierenden E ingang des Operationsverstärkers /1 und damit auch an den einen Belag des Eingangskondensators C1 gelegt. Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker /10 und /11 stellen eine bipolare Kompensationsspannungsquelle dar, deren beide Ausgangsspannungen letztlich von einer einzigen Referenzspannung abgeleitet sind. Diese Referenzspannung wird aus der negativen 24-V-Spannung über einen Widerstand R 10 und eine Zenerdiode ZD 3 gebildet und zusätzlich von einer Zenerdiode ZD 4 stabilisiert Vor dieser Zenerdiode liegt ein Widerstand All. Die stabilisierte Spannung speist einen aus mehreren Widerständen R12 zusammengesetzten Spannungsteiler, an dem über ein Potentiometer P2 die Referenzspannung abgegriffen und dem nicht negierenden Eingang des Operationsverstärkers /11 zugeführt wird. Der negierende Eingang des Operationsverstärkers /11 ist mit seinem Ausgang verbunden und über einen Widerstand R 13 an den negierenden Eingang des Operationsverstärkers /10 angeschlossen. Der nicht negierende Eingang des Operationsverstärkers /10 steht über einen Widerstand R 14 mit der Masseleitung in Verbindung. Der negierende Eingang des Operationsverstärkers /10 ist über einen veränderlichen Widerstand 7*15 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden. An den Ausgängen der beiden Operationsverstärker /10 und /11 kann jeweils eine gleich große positive bzw. negative Kompensationsspannung entnommen werden, die über die Schalter 7*3 und 7*5 je nach Polarität der Eingangsspannung an der Eingangsklemme E den Kompensationskondensator C2 aufladen.

Eine Eingangsspannung an der Klemme E wird mit Hilfe des aus dem Operationsverstärker /1 und dem Kondensator Ci bestehenden Miller-Integrators im Kondensator Ci integriert. Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers /1 steigt auf einen Wert an, der durch die an den Referenzeingängen der al? Korrparatoren geschalteten Operationsverstärker /2 und /3 anliegenden positiven und negativen Referenz spannungen gegeben ist Die beiden Komparatoren liefern also an zwei getrennten Ausgängen Signale, wenn die Ausgangsspannung am Müler-Integrator

ίο entweder die positive Referenzspannung am negierenden Eingang des Operationsverstärkers /2 überschreitet oder die negative Referenzspannung am nicht negierenden Eingang des Operationsverstärkers /3 unterschreitet Die Ausgangssignale der Komparatoren werden im ODER-Gatter /4 zusammengefaßt Der Ausgang dieses Gatters führt Signal wenn entweder der Ausgang des Operationsverstärkers /2 oder Ausgang des Operationsverstärkers /3 ein Signal führt

Der Multivibrator /5 läßt auch in Fällen, bei denen der Miller-Integrator übersteuert ist, die Entladung des Kondensators Ci durch aus dem Kondensator C2 zurückgeführte Ladungsmengen so oft wiederholen, bis die Ausgangsspannung des Integrators wieder unter die Vergleichsspannungen der Komparatoren sinlt. der Multivibrator /5 ist bei einem Ausführungsbei^piel der Erfindung aus zwei Monoflops zusammengeschaltet, die als integrierte Bausteine zur Verfügung stehen. Die beiden zu einem Multivibrator zusammengefügten Monoflops stellen sicher, daß der Kondensator C i auf jeden Fall entladen wird. Die auf den Multivibrator /5 folgenden Monoflops /5 folgenden Monoflops /6 und /7 haben den Zweck zu verhindern, daß sich die Schaltzeiten der Schalter Γ3 bzw. T5 mit den Schaltzeiten des Schalters 7*4 überlappen.

Der Multivibrator spricht an, wenn die positive oder negative Ausgangsspannung des Integrators eine der beiden Referenzspannungen an den Komparatoren überschreitet bzw. unterschreitet. Deshalb sind die Gatter /8 und /9 notwendig, um zu entscheiden, ob eine positive oder negative Spannung am Kondensator Cl kompensiert werden soll. Gleichzeitig kann an den Ausgängen der Gatter /8 und /9 die eingangsspannungsproportionale Impulsfrequenz abgenommen werden.

Die Wirkungsweise der Kompensationsspannungsquelle beruht darauf, daß mit der am Abgriff des Potentiometers P2 abgegriffenen Spannung nicht unmittelbar der Kompensationskondensator C2 aufgeladen wird. Diese Spannung wird vielmehr an den als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker /11 gelegt. Der für den Aufladevorgang des Kondensators C2 maßgebliche Gesamtwiderstand ist dann ungefähr gleich dem Durchlaßwiderstand des Feldeffekttransistorschalters 7*5, weil der Ausgangswiderstand des als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers /11 vernachlässigbar klein ist Durch den zweiten Operationsverstärker /10 wird diese Spannung in ihrer Polarität umgedreht. Der veränderliche Widerstand R15 dient dabei der Justierung von Toleranzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Bipolarer Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einem Eingangskondensator zur Integration eines Eingangssignals und mit zwei auf einen bestimmten positiven bzw. negativen Ladungszustand des Eingangskondensators ansprechende Komparatoren und Kippschaltungen enthaltenden Kanälen zur kompensierenden Rückführung konstanter negativer bzw. positiver Ladungsmengen an den Eingangskondensator, dadurch gekennzeichnet, daß den Komparatoren (72, /3) ein Multivibrator (I5) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang über von Ausgangssignalen der Komparatoren (12, 13) gesteuerte Logikelemente (/8, /9) in Wirkverbindung mit zwei Schaltern (T3, TS) zum Anschluß eines einzigen Kcmpensationskondensators (Cl) an eine bipolare Kompensationsspannungsquelle (IiQ, /11) steht

2. Bipolarer Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Kompensationsspannungsquelle von den Ausgängen zweier Operationsverstärker (ItO, /11), deren negierende Eingänge über einen Wiederstand (R 13) miteinander verbunden und jeweils an den zugehörigen Ausgang einerseits unmittelbar, andererseits über einen Wiederstand (R 15) angeschlossen sind und deren andere Eingänge einerseits am Abgriff eines Spannungsteilers (P2), andererseits über einen Widerstand (R 14) an Masse liegen, gebildet ist

3. Bipolarer Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikelemente (78, /9) mit dem Multivibrator (15) über zwei hintereinandergeschaltete Monoflops (16, /7) verbunden sind und ein Steuereingang eines dritten Schalters (TA) zur Verbindung des Kompensationskondensators (C2) mit dem Eingangskondensator (CX) unmittelbar an den Ausgang des Multivibrators (15) angeschlossen ist.

4. Bipolarer Spannungs- Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (T3, TA, TS) Feldeffekttransistoren sind.