DE2336131A1

DE2336131A1 - Amplituden-frequenz-konverter

Info

Publication number: DE2336131A1
Application number: DE19732336131
Authority: DE
Inventors: Robert A Pease
Original assignee: Teledyne Inc
Current assignee: Teledyne Inc
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1973-07-16
Publication date: 1974-03-21
Also published as: GB1397524A; US3746968A; CA969246A; FR2199234B1; FR2199234A1; JPS49124955A

Description

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 2, ¹^' ^Jul1

DIPL -ING. CURT WALLACH kaufingerstrasse β 2 3 3 6 1 3 1

DIPL.-INQ. GÜNTHER KOCH

DR. TINO HAIBACH ,.,,w _v/„

UNSER ZEICHEN: 14 j547 - K/VM

Teledyne,Inc., Los Angeles, Californien, USA,

Ampli tud en-Fr equenz-Konverter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Konverter zur Umformung von Analogwerten in eine Impulsfrequenz und insbesondere auf einen Konverter, welcher ein in hohem Maße lineares Spannungs-Impulsverhältnis liefert.

Es sind zahlreiche Wandler dieser Art bekannt, bei denen ein analoger Parameter, z.B. eine Spannung oder ein Strom, in eine Frequenz oder einen Impulszug umgeformt wird. Bei einer bekannten Ausfuhrungsform wird ein spannungsgesteuerter Oszillator benutzt, der eine sinusförmige Wellenform mit einer Frequenz erzeugt, die direkt proportional der Amplitude des Gleichspannungseingangssignals ist. Wenn es z.B. erwünscht ist, eine derartige Vorrichtung in einer Digitalschaltung zu benutzen (z.B. für Digitalvoltmeter, indirekte Analogdigitalwandler u.dgl.),ist es erwünscht, daß der Ausgang die Gestalt rechteckiger Impulse hat und nicht die Gestalt sinusförmiger Wellen. Außerdem ist es erwünscht, daß die Ausgangsimpulsrate inbezug auf die Amplitude der Eingangsspannung im höchsten Maße linear ist. Es sind derartige Spannungs-Impuls -Konverter bekannt und sie sind durch das bekannte Zweischleif enintegrationssystern typisiert. Bei dem letzteren werden jedoch zahlreiche kostspielige Schaltungselement benutzt einschließlich einem Sägezahngenerator, einem Taktgeber und mehreren Gattern und Flip-Flops und die bekannten Anordnungen sind daher sehr aufwendig und relativ teuer.

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Es ist bei bekannten Spannungs-Impuls-Konvertern bekannt, Unijunction-Transistoren zu benutzen, um die Kosten der Schaltung so niedrig als möglich zu halten, ^>ie meisten Unijunction-üt-zillatoren schließen jedoch das ankommende Signal während ihrer Zündung kurz und daher ist nur der Anstieg proportional dem Signal. Derartige Unijunction-Transistor-Oszillatoren haben auch eine schlechte Toleranz und Temperaturcharakteristik. Bei vielen Schaltungen mit Unijunction-Transistoren besteht auch die Neigung· eines Abfalls der Genauigkeit, wenn der Bruchteil der Periode,die zur Entladung der Kondensatoren erforderlich ist, merklich wird.

Der Erfindung liegt daher die AuJgaoe zugrunde, einen verbesserten Spannungs-Impuls-Konverter zu schaffen, bei dem nur eine minimale Zahl von Schaltungselementen erforderlich ist, so daß die Herstellung relativ billig wird. Außerdem soll dieser Wandler eine gute Linearität zwischen Eingangssignalamplitude und Ausgangsfrequenz liefern. Außerdem soll eine Schaltung geschaffen v/erden, die als einziger aktives Element einen einfachen Funktionsverstärker benutzt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Differential-Punktionsverstärker mit einer kapazitiven Rückkopplung und einer negativen integrierenden Rückkopplung benutzt wird, die unipolar ist, wobei ein bilateraler Spannungsbegrenzer an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist. Die Gegenkopplung weist in Reihenschaltung eine Diode und einen Kondensator auf. Der Eingang des Verstärkers ist über einen Eingangskondencator nach Erde nebengeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers ist über eine bilaterale Spannungsbegrenzungsstufe an Erde gelegt. Der Verstärker liefert einen rechteckigen Impulsausgang mit einer Impulsfrequenz, die linear proportional der Amplitude des Eingangssignales ist, wobei die einzigen erforderlichen genauen Werte durch aie Spannungsbegrenzungsstufe und die Gegenkopplungskonden: atoren geliefert werden.

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BAD ORIGINAL

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung oeschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild des Prinzips der Erfindung,

B'ig. 2 eine Anzahl idealisierter Wellenformen mit gemeinsamer Zaitachse. Dabei stellt die Kurve A die Spannung am invertierenden Eingang des Verstärkers gemäß Fig.l dar, B ist die Spannung am nicht-invertierenden Eingang jenes Verstärkers und C ist die Spannung am Ausgang jenes Verstärkers;

Fig. 3 eine Schaltung eines Startkreises, Vielehe in Verbindung mit der Erfindung benutzoar ist.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Konverters mit einem einzigen Differentialverstärker 20 mit hohem Verstärkungsgrad (mit einer Verstärkung von z.B. mehr als lOOO). Der Verstärker besitzt eine negative Eingangsklemme 22, d.h. eine invertierende Eingangsklemme, und eine positive oder nicht-invertierende Eingangsklemme 24. Die Ausgangsklemme 26 des Verstärkers 20 ist über eine Ausgangsimpedanz, z.B einem Widerstand 28 mit der Systemausgangsklemme 29 verbunden. Die Klemme 29 ist üoer einen Rückkopplungspfad, der einen Kondensator 30 aufweist, an die Eingangsklemrae 24 zurückgeführt. In gleicher Weise ist ein unilateraler stromführender Gegenkopplungspfad von der ^Ausgangsklemme 29 nach der Eingangsklemme 22 zurückgeführt und dieser umfait in Reihenschaltung einen Rückkopplungskondensator 32 und eine erste Diode 34. Die Diode 34 ist in typischer Weise derart gepolt, daß ihre Anode mit der Klemme 22 verbunden ist und ihre Kathode mit dem Kondensator 32. Die Verbindung 33 zwischen Diode 34 und Kondensator 32 ist über einen Widerstand 36 an den einstellbaren Abgriff eines Potentiometers 40 angeschlossen. Das Potentiometer liegt vorzugsweise zwischen dem positiven Pol einer Spannungsquelle und Erde. Der Verbindungspunkt 33 ist außerdem mit der. Anode einer zweiten Diode 38 verbunden, deren Kathode geerdet ist.

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Die Klemme 24 ist außerdem mit dem eineteilbaren Abgriff eines zweiten Potentiometers 42 verbunden, welch letzterer zwischen dem positiven und negativen Pol einer Spannungsquelle geschaltet ist. Die Klemme 24 ist weiter über einen Widerstand 44 geerdet, zu dem ein Kondensator 46 parallelgesehaltet ist.

Schließlich ist die Aasgangsklemme 29 mit einer bilateralen Spannungsbegrenzungsstufe, z.B. einer Zenerdiodenbrücke 48, verbunden, die zwischen Klemme 29 und Erde liegt. Die Brücke 48 ist eine herkömmliehe Diodenbrüekenschaltung, welche vier gewöhnliche Dioden und eine einzige Zenerdiode in Brückenschaltung aufweist. Stattdessen könnte man zwei gegensinnig geschaltete Dioden anstelle der Brücke 48 benutzen oder es könnte die Abgriffsklemme 29 an die Verbindung eines Diodenpaares angeschaltet v/erden, das mit dem positiven bzw. negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden ist. Das Grundkriterium, welches die bilaterale Spannungsbegrenzungs stufe erfordert, besteht darin, daß genaue Grenzen der Spitzenspannungen eingestellt werden, die an der Klemme 29 auftreten können. Es ist ein symmetrischer Spannungsbegrenzer zu bevorzugen, jedoch ist dies nicht notwendigerweise erforderlich.

Die Eingangsklemme 22 ist über einen Eingangswiderstand 50 mit äer Systemeingangsklemme 52 und über einen Nebenschlußkondensator 54 mit Erde verbunden.

Ersichtlicherweise können gewisse Abwandlungen getroffen werden, ohne die Arbeitsweise zu beeinträchtigen. Z.B. können wenigstens die Dioden ^4 und J& durch mit ihrer Basis geerdete Transistoren ersetzt v/erden. Außerdem können andere kleine Spannungsquellen die Potentiometer 40 und 42 ersetzen. Wenn die Vorrichtung als Strom-Frequenz-Wandler benutzt wird, kann der Eingangswiderstand 50 wegfallen und stattdessen kann der Stromeingang direkt der Verbindung 22 zugeführt werden.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis der Werte von Eingangskondensator 54 zu Rückkopplungskondensator 52 vorzugsweise mehr als lOOO/l insofern, als jenes Verhältnis das dynamische Ansprechen für Eingangssignale bestimmt. Es ist speziell erwünscht, daß jener Kondensator 54 einen sehr hohen Wert hat, so daß er die Wirkung einer Eingangsverbindung 22 im Hinblick auf eine Welligkeit im Eingangssignal an der Sy st einklemme 52 vermindert. Der Kondensator 54 muß einen hohen Kapazitätswert besitzen, er muß aber nicht von hoher Genauigkeit sein.

wird

Nachstehend/die Arbeitsweise der Schaltung nach Pig.l unter Bezugnahme auf das Zeitdiagramm nach Pig.2 beschrieben. Nach Anlegen einer positiven Gleichspannung oder einer Quasigleichspannung e. an der Klemme 52 beginnt ein Strom durch den Eingangswiderstand 50 nach dem negativen Eingang 22 des Verstärkers 20 zu fließen. Natürlich kann der Stromfluß nur so präzise sein wie der Wert des Widerstandes 50. Wenn demgemäß die Vorrichtung als Spannungs-Frequenz-Wandler benutzt wird, ist es zweckmäßig, daß der Widerstand 50 einen präzisen Widerstandswert besitzt. Aus später noch zu erläuternden Gründen kann man annehmen, daß, wie in Pig.2A dargestellt, die Spannung am Verbindungspunkt 22 an einem etwas negativen Wert beginnt und daher durch den Nullpunkt in einem Anstieg verläuft, wenn der Strom durch den Widerstand 50 den Eii^ngskondensator 5^ von seinem anfänglichen negativen Potential auf Erdpotential entlädt und dann auf die positive Spannung e^ bringt.

Bis die Spannung an der Klemme 22 unter Vernachlässigung von Versetzungen den Wert Null erreicht, ist die Ausgangsspannung an der Klemme 29 begrenzt und wird auf dem gleichen positiven Wert V-, gehalten, dem Wert nämlich, der durch die Brücke 48 eingestellt wird. Wenn die Spannung an der Klemme 22 den Wert Null erreicht, dann steigt die Spannung an der Ausgangsklemme

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29 abrupt auf einen negativen Wert an. Dies erfolgt, weil der Verstärker 20 als Differentialdetektor wirkt und seinen Ausgang in die negative Richtung schaltet, sobald die Spannung an der Klemme 22 den Wert Null erreicht. Die Gegenkopplung, welche durch die Kopplungsschleife zwischen der Ausgangsklemme 29 und der Eingangsklemme 24 geliefert wird, bewirkt einen ins Negative gehenden übergang an der Klemme 24 mit sehr kurzer Anstiegszeit. Das Ausmaß, in dem die Spannung auf diese Weise geändert wird, irt dann sehr scharf und präzise begrenzt und wird auf einem negativen Wert gehalten, der durch die Schwellwertbegrenzung der Brücke 48 erzeugt wird. Der abrupte, ins Negative gehende Abfall an der Ausgangsklemme 29 und an der nicht-invertierenden Klemme 24 sind als Vorderrand 68 der Wellenform C in Fig.2 und als Vorderrand 70 der Wellenform gemäß Pig.2B erkennbar.

Gleichzeitig mit dem Umschalten der Spannung an der Ausgangsklemme 29 vom positiven Wert in den negativen Wert wird die Diode J4 dann in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wodurch eine Ladungsübertragung auf den Kondensator 54 vom Rückkopplungskondensator 32 aus erfolgen kann. Infolgedessen fällt die Spannung an der Eingangsklemme 22 dann wieder abrupt um den Betrag £> e ins Negative. Dieser Betrag hat eine Größe, die gleich dem Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren 32 und 34 multipliziert mit dem Spitzenwert IvJ der Ausgangsspannung an der Klemme 29 (wie aus der Wellenform C gemäß Fig.2 ersichtlich). Der abrupte Abfall der Spannung an der Eingangsklemme 22 ist in der Wellenform A gemäß Fig.2 als Übergang 72 dargestellt und zwar mit einer Amplitude Δ e. Die Spannung an der Klemme 22 ist auf - & e abgefallen und beginnt dann sägezahnförmig im Abschnitt 74 der Wellenform A gemäß Big. 2 anzusteigen, wenn sich der Kondensator 54 wiederum zu entladen oeginnt. Zur gleichen Zeit, zu der der Kondensator 54 die Entladung beginnt, beginnen sich auch die Rückkopplungskondensatoren 32 und JO und der Kondensator 46 wieder zu laden. Vorzugsweise ift

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I ~

die Kapazität des Kondensators 46 wenigstens 20 mal größer als die des Kondensator-s 30. Wenn z.B. der Kondensator 30 5 pF besitzt, dann hat der Kondensator 46 100 pP und der Widerstand 44 beträgt 20 kOhm.

Die Spannung an der Klemme 24 klingt dann in Positivrichtung aus, aber mit einer schnelleren Rate als sich der Kondensator ^K entlädt. Der Anstieg der Rampe 74 bei der Wellenform A gemäß Fig.2, die der Ladung des Kondensators 54 zugeordnet ist, wird durch den VJert des letzteren eingestellt. Die Entladekurve· der Kondensatoren JO und 56 (in Fig.2 als Kurvenform 76 in der Abbildung B dargestellt) wird hauptsächlich durch die RC Zeitkonstante bestimmt, Vielehe wiederum von den elektrischen Werten des Kondensators 46 und des Widerstandes 44 abhängen, insofern als ein beträchtliches Mißverhältnis in den Werten der Kapazitäten der Kondensatoren 46 und 30 besteht. Da die Zeitkonstanten für die beiden Kurven 76 und 74 unterschiedlich sind (die Kurve 74 ist in der Abbildung B strichliert eingezeichnet) klingen die Spannungen an den Klemmen 22 und 24 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ab, bis sie schließlich etwa den gleichen Wert erreichen. Der Verstärker 20, der dann wieder als Differentialdetektor wirkt, schaltet infolge der Gegenkopplungsschleife die Spannung an der Klemme 24 dann sehr abrupt wieder auf einen positiven Viert. Der ins Positive gehende Übergang in der Wellenform C ist bei 76 dargestellt. Wenndie Wirkung des bilateralen Spannungsbegrenzers, der durch die Brücke 48 repräsentiert ist, symmetrisch ist, dann ist der positive Spitzenwert der Spannung an der Klemme 29 gleich dem Spitzenwert des negativen Übergangs 68 der Wellenform C gemäß Fig.2. Wenn der Ausgang des Verstärkers 20 in Positivrichtung schwingt, dann wird die Diode 38 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so daß der Strom zwischen Klemme 29 und Erde fließen kann, um den Kondensator 32 zu laden. Die Spannung an der Klemme 24'beginnt erneut von ihrem positiven Wert nach Null gemäß der Zeitkonstanten abzuklingen, die durch die Kondensatoren 46 und 30 und den Widerstand 44 bestimmt ist. Diese abfallende Kurve, die gleich und entgegengesetzt der Kurve 76 ist, ist bei 80 dargestellt.

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Wie in Pig.2 dargestellt, beginnt der Zyklus erneut, wenn die Spannung an der Eingangsklemme 22 des Verstärkers 20 wieder den Wert Null erreicht, wodurch eine Mitkopplung verursacht wird, die die Spannungen an beiden Klemmen 22 und 24 wiederum scharf abfallen läßt. Infolgedessen schwingt das Signal an der Ausgangsklemme 29 abwechselnd auf einen negativen Wert und einen positiven Wert und zwar mit einer extrem icurzen Anstiegszeit infolge der Mitkopplung am Verstärker 20. Das Ausmaß, urn das das Signal schwingt, wird durch die Schwellwertwirkung der Brücke 48 begrenzt, so daß die Ausgangsspannung, die in der Wellenform C in Fig.2 dargestellt ist, eine Rechteckwelle ist, in der die Periode T eine Funktion der Wert des Rückkopplungskondensators 32, des Wertes des Eingangswiderstandes 42 und der Gvöüe der Spannung von positiver Spitze nach negativer Spitze (V-,) ist, die durch den Begrenzer 4b und den Wert des Eingangssignals e. eingestellt werden. Von diesen vorerwähnten Parametern ist e. natürlich die unabhängige Funktion und alle anderen Werte können mit einem hohen Grad an Genauigkeit eingestellt werden.

Die vorstehend erwähnten Tatsachen lassen sich einfach durch Betrachtung der Beziehungen verständlich machen. So kann z.B. der Eingangsstrom I an der Klemme 22 wie folgt definiert werden:

(D ι - ^e*

Dabei ist R der Widerstandswert des Widerstands 50. Wenn I der Eingang des Systems ist und nicht e.,dann kann der Eingangswiderstand 50 natürlich wegfallen.

Es ist ferner klar, daß

(2) I= CFV₂

Dabei ist F die Ausgangsfrequenz, C die Kapazität des Rückkopplungskondensators 32 und V₂ ist gleich der Differenz zwischen den Spitzenwerten (V₁) und der Spannung an der Verbindung 33,

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d.h. Vp stellt die Spannung zwischen den Spitzenwerten am Kondensator 52 dar. Der Wert Vp kann durch Einstellung des Potentiometers 40 abgeglichen werden.

Schließlich ist:

O) Q = CV₂

Dabei ist Q die Ladung des Kondensators j52. Um die Ladung Q mit hoher Präzision zu erhalten, ist es nur erforderlich, einen präzisen Kondensator J2 zu wählen, da die Spannungsbegrenzungswirkung der Brücke 48 dan Wert V₂ mit der erforderlichen Präzision liefert. Indem dann diese drei Gleichungen durch Substitution kombiniert werden, ergibt sich, daß

(4) ^ei - ^RQF ^{oder e}i = KF

K stellt eine Konstante dar, die von gewählten Werten von R und Q bestimmt wird. Die Ausgangsfrequenz der Wiederholungsrate ist daher eine präzise lineare Punktion der Eingangsspannung. Im typischen Fall kann sich das Eingangssignal e. schnell von Null auf 10 Volt ändern mit einer entsprechenden Änderung der Frequenz am Ausgang des Systems zwischen Null und 10 kHz.

Es ist klar, daß die Spannung an der Klemme 22 an dem gleichen anfänglichen negativen Wert beginnen könnte, um in eine Schwingung überzugehen. Daher ist es nützlich, die Einrichtung mit einem Anlaßkreis zu versehen, wie dieser in Fig.3 dargestellt ist. Die Schaltung nach Fig.3 umfaßt einen pnp Transistor Q₁, dessen Emitter mit der Eingangsklemme 22 des Verstärkers verbunden ist und dessen Kollektor mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden ist. Die Basis des Transistors Q₁ ist über eine Eingangsimpedanz, beispielsweise einen Widerstand 86, mit der Ausgangsklemme 29 der Schaltung nach Fig.l verbunden. Ein aus Kondensator 88 und Widerstand 89 bestehendes Filter ist zwischen die Basis des Transistors Q₁ und Erde geschaltet.

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- ίο -

Diese einfache Schaltung nach Pig.J arbeitet in folgender Weise: Wenn der Emitter des Transistors Q₁ positiv gegenüber der Basis ist, dann befindet sich der Transistor Q₁ in Leitfähigkeitsstellung. Demgemäß wird eine negative Spannung am Kollektor des Transistors unter Vernachlässigung des Abfalls am Transistor der Klemme 22 zugeführt, wodurch letztere auf negatives Potential gebracht wird. Dann beginnt das System nach Fig.l zu schwingen. Dadurch daß die Schaltungselemente des Kreises gernäß Fig.l so gewählt werden, daß der positive Teil jedes Ausgangszyklus größer ist als der negative Teil, wird gewährleistet, daß das Filter, welches vom Konfensator 88 und Widerstand 89 gebildet wird, die Basis des Transistors Q, während des Betriebes positiv hält. Diese Wirkung des Filters auf die Basis des Transistors Q, dient dazu, den Transistor Q-, abgeschaltet zu halten. Demgemäß dient der Anlaßkreis nur dazu, einen negativen Spannungsimpuls der Eingangsklemme 22 zuzuführen, um einen Sjhwingungsvorgang im Kreis gemäß Fig.l einzuleiten und dann wird dieser Anlaßkreis abgeschaltet.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche :

y¹ Amplituden-Frequenz-Konverter,

dadurch gekennzeichnet , daß er einen Differentialverstärker (20) aufweist, der eine Weehselsparmungsmitkopplungsschleife und eine Gegenkopplungsschleife besitzt, die aus einer Ladeimpedanz bestehen, welche mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist und aus einem ersten unilateralen Stromleiter, der zwischen die Impedanz und den invertierenden Eingang des Verstärkers geschaltet ist, daß ein Ladungsspeieher zwischen den invertierenden Eingang und Erde geschaltet ist und daß ein Begrenzer für den Spitzenspannungsausgang des Verstärkers vorgesehen ist.

2. Kaverter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsspeicherimpedanz und die Ladungsspeicherstufe kapazitiv sind und daß der unilaterale Stromleiter eine Diode umfaßt.

J. Konverter nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß an den invertierenden Eingang ein Eingangswiderstand angeschaltet ist.

4. Konverter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter unilateraler Stromleiter in Reihe zwischen die Ladungsspeicherimpedanz und Erde geschaltet ist und gegenüber der Ladungsspeicherimpedanz entgegengesetzt zu dem ersten unilateralen Stromleiter geschaltet ist.

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5. Konverter nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß eine Stromquelle einen Vorspannstrom an die Verbindung von erstem und zweitem unilateralen Stromleiter liefert.

6. Konverter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Mitkopplungsschleife eine Kapazität enthält.

7. Konverter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzei chnet , daß der Begrenzer ein bilateraler Spannungsbegrenzer ist, der an den Ausgang des Verstärkers angeschaltet ist.

8. Konverter nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß der Spannungsbegrenzer aus einer Diodenbrücke besteht.

9. Konverter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzei ehnet , daß eine Einlaßschaltung vorgesehen ist, um ein Anlaßstartpotential dem Invertierungseingang zuzuführen.

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