DE2355598C2 - Frequenzspannungswandler - Google Patents

Description

— ein NA N D-Glied (43), dessen einer Eingang mit dem Wandlereingangsanschluß, dessen zweiter Eingang mit dem ersten Ausgang (Q) der rücktriggerbaren monostabilen Kippstufe (40) verbunden ist,

— eine zweite bistabile Kippstufe (42), deren Setz-Eingang (S) mit dem Aurgang des NAND-Gliedes (43) und deren Rücksetz-Eingang (R) mit dem ersten Ausgang (Q) der rücktriggerbaren monostabilen Kippstufe (40) verbunden ist und deren Ausgangssignal bei dem ersten Ausgangsimpuls des NAND-Glieds (43), wenn die vorbestimmte Frequenzgrenze überschritten ist, gesetzt wird und am Ende der Standzeit der rücktriggerbaren monostabilen Kippstufe (40) zurückfällt, und

— ein NOR-Glied (44) aufweist, dessen einer Eingang mit dem Rücksetz-Eingang (R) der ersten bistabilen Kippstufe (10), dessen anderer Eingang mit dem zweiten Ausgang der zweiten bistabilen Kippstufe (42) und dessen Ausgang mit der Filterstufe (12) verbunden ist.

3. Frequenzspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der ersten bistabilen Kippstufe (10), der rücktriggerbaren monostabilen Kippstufe (40) und des NAND-Glieds (G 1) jeweils mit einem eingangsseitigen Kopplungskondensator (13) verbunden sind.

4. Frequenzspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein invertierendes Element (41) zwischen den Ausgang des Kopplungskondensators (13) und die jeweiligen Eingänge der riiekiriggerbaren monostabilen Kippstufe (40) und des NAND-Glieds^.!)geschaltet ist.

5. Frequen/.spanmingswandler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet daß die erste monostabil Kippstufe (11) einen Doppelbasistransistor enthält

6. Frequenzspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Verknüp fungsschaltung (42—44) einen mehrstufigen Binär zähler (60), dessen Rücksetz-Eingang mit dem zweiten Ausgang (Q) der rücktriggerbaren monostabiien Kippstufe (40) verbunden ist und ein NAND-Glied (61) enthält, dessen Eingänge mit den Ausgängen des Binärzählers (60) verbunden und dessen Ausgang mit den Eingängen der digitalen Verknüpfungsschaltung (42—44) verbunden sind (F i g. 6).

7. Frequenzspannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß vor den Zähleingang des mehrstufigen Binärzählers (60) ein invertierendes Element (62) geschaltet ist

8. Frequenzspannungswandler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähleingang des mehrstufigen Binärzählers (60) mit dem Ausgang eines ersten UN D-Glieds (43) und die Ausgänge des Binärzählers (60) mit einem zweiten UND-Glied (61) verbunden sind, dessen Ausgang mit dem einen Eingang eines ODER-Glieds (62) und mit dem Eingang eines invertierenden Elementes

(80) verbunden ist dessen Ausgang mit einem Eingang des ersten UND-Glieds (43) verbunden ist (F ig. 8).

Die Erfindung betrifft einen Frequenzspannungswandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Frequenzspannungswandler ist in der

DE-OS 21 46 512 beschrieben.

Frequenzspannungswandler werden in vielen Anwendungsfällen zur Überwachung und Regelung verschiedenartiger Parameter verwendet, beispielsweise für die Drehzahl von umlaufenden Maschinen. Der Wandler erfaßt allgemein die Frequenz einer pulsierenden Sptnnungswelle, welche in einem Drehzahlmeßfühler der Maschine erzeugt wird, und wandelt die Frequenz tier eingangsseitigen Spannungswelle in eine Gleichspannung mit einer Amplitude um, welche der

Eingangsfrequenz proportional ist

Ein bekannter Frequenzspannungswandler gemäß der eingangs genannten Gattung besitzt zwar eine gute Rauschfreiheit, aber wenn er an oder oberhalb einer Eingangsfrequenz arbeitet welche einer Nennfrequenz entspricht, beispielsweise der festgelegten maximalen Überdrehzahl der umlaufenden Maschine, dann spricht er nicht mehr auf jeden Impuls der Eingangsfrequenz an, und unmittelbar oberhalb dieses maximalen Überdrehzahlpunktes sinkt die Ausgleichsspannung plötzlich auf die Hälfte des richtigen Wertes ab. Dies kann unheilvolle Auswirkungen in der Regeleinrichtung und für die umlaufende Maschine haben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Frequenzspannungswandler der oben angegebenen Art mit hoher Rauschunempfindlichkeit zu schaffen, dessen Ausgangsgröße jedesmal dann auf einem Maximalwert verbleibt wenn die Frequenz des Eingangssignals eine vorgegebene Frequenz übersteigt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

b5 kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der lirfindting sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen Fig.6, jedoch unter Verwendung von UND- sowie insbesondere darin, daß bei Frequenzen des unbekann- ODER- anstelle von NOR- sowie NAND-Gliedern,
ten Signals, die unterhalb einer vorbestimmten Grenze F i g. 1 zeigt einen bekannten, vollständig elektronisch liegen, die Ausgangsspannung der bistabilen Kippstufe ausgeführten Frequenzspannungswandler mit hoher mit ihrem Mittelwert die Ausgangsspannung des Wand- 5 Rauschunempfindlichkeit, welcher eine bistabile Kipplers bestimmt Wenn diese Frequenz>jrenze jedoch stufe bzw. einen Flip-Flop 10, eine erste monostabile überschritten wird, übernimmt die monostabil rück- Kippstufe 11 mit Doppelbasistransislor und eine Austriggerbare Kippstufe mit ihrer zugeordneten Verknüp- gangsschaltung 12 enthält wobei letztere ein Tiefpaßfilfungsschaltung die Steuerung der Ausgangsspannung. ter 12a umfaßt, das eine dem Mittelwert der Ausgangs-Hierbei wird die Ausgangsspannung abrupt auf einen 10 spannung des Flip-Flop iO entsprechende geglättete Maximalwert angehoben und dort gehalten, solange die Ausgangsgleichspannung liefert Das Eingangssignal für Eingangs'requenz die Frequenzgrenze übersteigt den Frequenzspannungswandler ist allgemein eine

Um den Wandler rauschunempfmdlich zu machen, Rechteckspannung oder ein anderes pulsierendes Signal können vorteilhafterweise ein Binärzähler und eine zu- mit einer Frequenz, die proportional der absoluten Grögeordnete zusätzliche digitale Logikschaltung verwen- 15 Be des vom Wandler überwachten Parameters ist Der det werden, um die Außerbetriebsetzung der bistabilen Frequenzspannungswandler ist in Systemen anwendbar, Kippstufe im Wandler durch die zweite monostabile in denen die absolute Größe eines Parameters erfaßt Kippstufe für eine bestimmte Zahl von Eingangsimpul- und umgewandelt als die Frequenz eines Signals ersen während einer Periode der zweiten Kippstufe zu scheint Derartige Wandler finden beispielsweise breite verzögern. Der Wandler liefert die vorstehend beschrie- 20 Anwendung bei der Überwachung der Drehzahl von bene ausgezeichnete Rauschunempfindllohkeit für Ein- umlaufenden Maschinen wie elektrischen Motoren, Gegangssignaifrequenzen entsprechend einem Tastver- neratoren und Dampfturbinen. Die nachstehende Erörhältnis der bistabilen Kippstufe, welches 50% oder grö- terung beschränkt sich lediglich beispielhaft auf den Anßer ist also im Frequenzbereich, in dem die Standzeit wendungsfall bei einer Regeleinrichtung für die Drehdes Monoflop gleich der Pause ist, bis hin zu hohen 25 zahl einer Dampfturbine. Der Frequenzspannungs-Frequenzen, bei denen die Pause ausgefüllt ist Bei klei- wandler wird als derjenige Teil beschrieben, der eine neren Eingangsfrequenzen kann durch Störungssignale Steuerspannung an die Regeleinrichtung liefert, welche unerwünscht eine vollständige Periode zwischen die die Drehzahl der Dampfturbine regelt Dabei ist die normalen Perioden eingefügt und dadurch die Wandler- Frequenz des Eingangs-Rechtecksignals (abgebildet in ausgangsgröße vergrößert werden. Deshalb sollte die 30 den F i g. 3a und 3b), welche am Eingang des Frequenz-Regeleinrichtung für ein Soll-Tastverhältnis von etwa spannungswandler liegt, direkt proportional der Dreh-75% ausgelegt sein. Bei einer üblichen Verwendung in zahl der Turbine.

Drehzahlregelsystemen, die bei einer festgelegten Soll- Ein Kopplungskondensator 13 liegt zwischen dem frequenz arbeiten, erfolgt jedoch die Erhöhung der Aus- Eingangsanschluß des Wandlers und dem Setz-Eingang gangsgröße, welche eine Störung bei niedrigen Dreh- 35 5 des Flip-Flop 10 (dieser ist in den Abbildungen mit zahlen verursachen kann, in der sicheren Richtung und FFl bezeichnet). Alle hier verwendeten Flip-Flops habesitzt daher geringe Bedeutung. ben den üblichen Aufbau mit Kreuzkopplung. Der Kon-

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und densator 13 wandelt das Rechteck-Eingangssignal oder

Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. einen anders geformten Impulszug in eine Folge von

Fig. 1 ist teilweise ein Schaltbild und teilweise ein 40 wechselweise negativ und positiv verlaufenden Nadel-Blockdiagramm eines bekannten Frequenzspannungs- impulsen um, wobei die negativ verlaufenden Flanken Wandlers mit hoher Rauschunempfindlichkeit. der eingangsseitigen Rechteckwelle die in F i g. 3b abge-

F i g. 2a, b, c, d zeigen den zeitlichen Verlauf von bildeten negativen Nadelimpulse (und die meisten der

Spannungssignalen, welche an verschiedenen Punkten Nadelspitzen in F i g. 2b), erzeugen, während die positiv

in dem bekannten rauscharmen Wandler nach Fig. 1 45 verlaufenden Flanken die positiven Nadelimpulse er-

auftreten. zeugen, die aber nicht verwertet werden. Die erfaßte

Fig.3a, b, c, d zeigen den zeitlichen Verlauf von Si- Drehzahl der Dampfturbine in den Fig.3a—d in dem

gnalkurven entsprechend den F i g. 2a—d, wobei jedoch mit DF100% bezeichneten Teil und auch bei den in den

die Auswirkungen des Betriebs des Wandlers bei Ein- Fig.2a—d gezeigten Verläufen sei konstant und ent-

gangsfrequenzen unterhalb und oberhalb einer maxima- 50 spreche etwa dem Nennwert der Betriebsdrehzahl (d. h.

len Nennfrequenz angegeben sind. einer Drehzahl von 100%). Die negativen Nadelimpulse

Fig.4 ist ein Blockschaltbild eines Frequenzspan- werden dem Eingang 5des Flip-Flop 10 zugeführt und nungswandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der kippen das Flip-Flop in den Η-Zustand am Ausgang Q. Erfindung, um die bistabile Kippstufe bei einer be- Der Ausgang Q des Flip-Flop 10 liegt am Eingang der stimmten Eingangsfrequenz, welche geringfügig unter- 55 ersten monostabilen Kippstufe 11, welche in dieser Aushalb des maximalen Nennwertes liegt, unwirksam zu führungsform einen Doppelbasistransistor enthält. Bei machen. Auftreten der Vorderflanke jedes H-Zustandes am Aus-

Fig.5a bis 5h zeigen den zeitlichen Verlauf von gang Qdes Flip-Flops 10 beginnt die Kippstufe 11 mit

Spannungssignalen, welche an verschiedenen Punkten der Taktgabe, d. h. mit der Erzeugung einer festen Zeit-

der Schaltung nach F i g. 4 auftreten. 60 verzögerung.

Fig.6 ist ein Blockschaltbild für eine bevorzugte Die Kippstufe 11, nachstehend auch als Hauptzeit-Ausführungsform des Frequenzspannungswandlers mit glied bezeichnet, ist eine konventionelle Schaltung, weleiner verzögerten Außerbetriebsetzung der bistabilen ehe die vorgegebene konstante Zeitverzögerung er-Kippstufe. zeugt, die wiederum durch die Widerstands- und Kapa-

F ig. 7a bis 7j zeigen den zeitlichen Verlauf von Span- 65 zitätswerte des Widerstandes 11a und des Kondensa-

nungssignalen, welche an verschiedenen Punkten in der tors Wb im Emitterkreis des Doppelbasistransistors lic

Schaltung nach F i g. 6 auftreten. bestimmt sind. Das Hauptzeitglied soll genau arbeiten,

Fie·. 8 ist ein Blockschaltbild des Wandlers nach weshalb in dessen Basiskreis ein Temperaturkompensa-

tionswiderstand lie verwendet wird. Die negative Ausgangsgröße des Hauptzeitgliedes 11 wird über einen Kopplungskondensator Hd dem Rücksetz-Eingang R des Flip-Flop 10 zugeführt. Der Kopplungskondensator 1 id erzeugt am Ende jeder Taktperiode einen negativen Nadelimpuls, wie in den F i g. 2d und 3d gezeigt. Jeder zeitlich verzögerte Nadelimpuls am Ausgang des Kondensators lic/ bringt daher den Ausgang Q des Flip-Flop in seinen rückgesetzten oder L-Zustand. Der Flip-Flop 10 erzeugt daher am Q-Ausgang Η-Zustände konstanter Dauer, während die L-Zustände sich proportional der Eingangsfrequenz ändern, wie dies noch im Zusammenhang mit der Abbildung der Kurven in F i g. 2c und 3c erläutert wird. Die kleinen Kreise an den Eingängen S und R des Flip-Flop 10 und an Eingängen oder Ausgängen anderer Glieder in den F i g. 4,6 und 8 symbolisieren eine Signalinversion an diesen Anschlüssen, also auch am Anschluß R des Flip-Flop 10, an welchem das genannte negative Signal anliegt.

Der Ausgang Q des Flip-Flop 10 ist zusätzlich mit einem Eingang eines als Impulsformer arbeitenden Schalters 126 im Eingangsteil der Ausgangsschaltung 12 verbunden. Der Schalter \2b kann ein Transistor mit einer sehr niedrigen Schwellenspannung sein, welcher die Ausgangssignale des Flip-Flop in Impulse mit einer konstanten Amplitude umwandelt Der Schalter 126 ist notwendig, da die Ausgangsamplitude des Flip-Flop 10 nicht genügend konstant bleibt Ein zweiter Eingang zum Schalter 126 ist mit einer stabilen Gleichspannung verbunden, und jede vordere bzw. rückwärtige Flanke des Q-Ausgangsimpulses des Flip-Flop 10 schaltet über 126 diese Bezugsspannung durch. Das Tiefpaßfilter 12a glättet die pulsierende Ausgangsspannung des Schalters 126 und liefert dadurch einen Gleichspannungsmittelwert über die (?-Ausgangsimpulse des Flip-Flop, multipliziert mit der festen Bezugsspannungsamplitude.

Die Frequenz der Rechteckspannung am Ausgang des Drehzahlmeßfühlers der Turbine muß linear mit der Turbinendrehzahl verlaufen. In dem Fall des Ausführungsbeispiels einer Drehzahlregelung für eine Turbine, die normalerweise mit ihrer Nenn-Betriebsdrehzahl, d.h. mit 100% der Maschinendrehzahl, betrieben wird, ist eine Proportionalregelung auch dann notwendig, wenn die Turbine oberhalb ihrer Nennbetriebsdrehzahl arbeitet Doch dann muß die Ausgangsgröße des Fre-(juenzspannungswandlers bis zu einer bestimmten Überdrehzahl linear proportional zur Drehzahl sein, wobei an diesem letzteren Punkt alle Schutzeinrichtungen gegen Überdrehzahl betätigt worden sind. Bei noch höheren Drehzahlen wird eine Proportionalität nicht mehr benötigt; die Ausgangsgröße des Frequenzspannungswandlers muß jedoch dann fest auf ihrem Maximalwert bleiben.

Das Eingangssignal in Form der in F i g. 2a abgebildeten Rechteckspannung liegt im Betrieb bei der Nennbetriebsdrehzahl vor. Bei einer solchen Drehzahl und bei Abwesenheit von Rauschsignalen liege durch entsprechende Bemessung des Monoflops das Tastverhältnis (d. h. das Verhältnis der Dauer des H-Zustandes bzw. der Impulsbreite zur Impulsperiode) unterhalb von 100%, wie dies in der ersten und vierten vollständigen Periode in Fig.2c gezeigt ist Bei einer bestimmten Überdrehzahl erhöht sich — bedingt durch die konstante Standzeit des Monoflops — das Tastverhältnis in der Ausgangsgröße des Flip-Flop auf einen Wert von 100%, und dies entspricht dem Ende des oben beschriebenen linearen Drehzahlbereichs. Bei höheren Drehzahlen müssen Einrichtungen verwendet werden (diese werden später beschrieben), welche die Ausgangsgröße auf dem Wert halten, der dem Tastverhältnis für 100% entspricht.

Der Frequenzspannungswandlcr nach F i g. 1 besitzt eine sehr gute Rauschunempfindlichkeit, wenn er oberhalb eines Tastverhältnisses von 50% arbeitet (d. h. der Ausgang am Flip-Flop 10 ist in seinem Η-Zustand während eines längeren Intervalls als in seinem L-Zustand), da Rauscheingangssignale entweder keinen Einfluß auf

to den Flip-Flop besitzen, nachdem er in seinem gesetzten oder Η-Zustand ist, oder sie bewirken lediglich eine Verschiebung des Ausgangsimpulses des Monoflop ohne eine Veränderung des mittleren Ausgangswertes, wie dies jetzt im Zusammenhang mit den F i g. 2a bis d erläutert wird.

Dem Rechteck-Eingangssignal sind Störsignale überlagert, die in Fig.2a ais mit einem Stern versehene Nadeln gezeigt sind. Dabei haben die beiden ersten und die vierte Störnadeln keinen Einfluß auf den Flip-Flop, da sie während seines H-Zustandes auftreten, nachdem er bereits in seinen Betriebszustand gekippt worden ist. Die dritte Störnadel tritt jedoch zu einem Zeitpunkt auf, an dem der Flip-Flop 10 normalerweise in seinem L-Zustand sein würde, und daher kippt eine solche Störnadel den Flip-Flop 10 zu einem früheren Zeitpunkt in seinen Η-Zustand als bei der nächsten negativen Flanke des Eingangssignals. Aber dieses frühere Kippen des Flip-Flop 10 bewirkt lediglich, daß die erste monostabile Kippstufe 11 mit der Taktgabe zu einem früheren Zeitpunkt beginnt und daher den H-Zusland des Flip-Flops mit gleicher Dauer in F i g. 2c nach links verschiebt. Deshalb ist der L-Zustand der zweiten Periode kürzer, und der L-Zustand der dritten Periode ist um diese Zeitverschiebung länger, und der folgende (vierte) Zyklus ist wieder identisch mit dem ersten Zyklus, wenn keine weiteren Störnadeln vorhanden sind.

Obwohl der Wandler nach F i g. 1 eine sehr gute Rauschunempfindlichkeit besitzt, tritt eine unerwünschte Arbeitsweise auf, wenn die Eingangsfrequenz den Wert überschreitet, welcher ein Tastverhältnis von 100% erzeugt Der Wandler spricht dann nicht mehr auf jeden Eingangsimpuls an, wie dies nunmehr unter Bezugnahme auf die Kurven gemäß F i g. 3a bis d beschrieben wird. Die ersten zwei Perioden des Eingangssignals des Wandlers gemäß F i g. 3a entsprechen der normalen Betriebsdrehzahl der Turbine mit einem Tastverhältnis von weniger als 100%. Die folgenden vier Perioden entsprechen einer Überdrehzahl, welche größer ist als die einem Tastverhältnis von 100% entsprechende Drehzahl. Wie im Falle der F i g. 2b erzeugt jede negative Flanke des Eingangssignals einen Nadelimpuls, der dem Eingang S des Flip-Flops 10 zugeführt wird. Daher treten die letzten vier Nadelimpulse gemäß Fig.3b mit einer höheren Frequenz als die ersten beiden Nadelimpulse auf. Der Flip-Flop 10 spricht auf die ersten beiden Perioden des Eingangssignals einwandfrei und in der gleichen Weise an, wie dies für die erste und vierte Periode in F i g. 2c erläutert ist In den letzten vier Perioden des in F i g. 3a gezeigten Eingangssignals tritt jeder

zweite Nadelimpuls (durch Sterne in F i g. 3b markiert) während der Taktperiode der monostabilen Kippstufe 11 auf, d. h. wenn der Flip-Flop 10 noch in seinem H-Zustand ist Daher werden diese beiden Nadelimpulse nicht von dem Flip-Flop 10 erfaßt, so daß er während jeder zweiten Periode des Eingangssignals im zurückgesetzten Zustand bleibt Dies bewirkt eine Verminderung des Tastverhältnisses des Ausgangssignals am Flip-Flop auf nahezu 50% gemäß F i g. 3a Obwohl also während

des Intervalls mit übermäßiger Drehzahl das Tastverhältnis am Ausgang des Flip-Flop 10 größer als 100% sein sollte (wenn dieses möglich wäre), ist in Wirklichkeit das Tastverhältnis und das resultierende Gleichspannungssignal am Ausgang des Tiefpaßfilters 12 plötzlich auf etwa 50% der Maximalamplitude vermindert. Diese plötzliche Verminderung der Ausgangsgröße des Wandlers auf den halben Wert zu einem Zeitpunkt, an dem die Drehzahl tatsächlich oberhalb ihrer Nenndrehzahl ist, kann verhängnisvolle Folgen haben, da die Regeleinrichtung jetzt ein Steuersignal sieht, welches eine Turbinendrehzahl beträchtlich unterhalb der Nenndrehzahl anzeigt und daher eine Öffnung der Dampfventile der Turbine veranlaßt. In Wirklichkeit sollte jedoch die übermäßig hohe ist-Drehzahl zur Folge haben, daß die Ventile geschlossen bleiben und alle anderen möglichen Vorkehrungen zur Drehzahlabsenkung getroffen werden.

Ein Frequenzspannungswandler, welcher den obigen Zustand korrigiert und das Wandlerausgangssignal auf einer Gleichspannung entsprechend dem Maximum der proportionalen Überdrehzahl hält, muß daher auf eingangsseitige Triggersignale ansprechen, welche auftreten, während die bistabile Kippstufe 10 in ihrem gesetzten Zustand ist. Dadurch wird angezeigt, daß das nächste Eingangssignal bereits aufgetreten ist, bevor die monostabile Kippstufe 10 ihre Periode beendet hat. Diese Maßnahme allein würde jedoch die erwünschte Rauschunempfindlichkeit beseitigen, die der Wandler nach F i g. 1 an sich aufweist. Der Grund hierfür liegt darin, daß ein solcher Wandler ein zusätzliches Rauscheingangssignal zu jeder Zeit annehmen kann, und dieses Rauscheingangssignal die Ausgangsgröße in Richtung auf ein Tastverhältnis von 100% verändert. Daher ist der erfindungsgemäße Frequenzspannungswandler darauf gerichtet, den Fehler der Schaltung nach F i g. 1 zu korrigieren, wenn die Dampfturbine an oder oberhalb der Drehzahl arbeitet, welche einem Tastverhältnis oberhalb 100% entspricht. Gleichzeitig soll die vorteilhafte hohe Rauschunempfindlichkeit beibehalten werden.

Fig.4 zeigt einen Frequenzspannungswandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher eine Außerbetriebsetzung der monostabilen Kippstufe 11 jeweils dann liefert, wenn das Tastverhältnis einen vorgegebenen Wert nahe bei 100% übersteigt. Als typisches Beispiel ist in Fig.4 eine Schaltung gezeigt, welche ein Tastverhältnis von 95% feststellt. Diese Feststellung wird bei ansonsten unveränderter Schaltung der Glieder 10,11 durch ein zusätzliches Zeitglied erhalten, das aus einer rücktriggerbaren monostabilen Kippstufe 40 besteht, deren Setzeingang mit dem Eingangsanschluß des Wandlers über den Kopplungskondensator 13 und einen Inverter 41 (zur Umkehrung der Polarität des Nadelimpulses) verbunden ist. Die Standzeit der Kippstufe 40 ist stets größer als diejenige der monostabilen Kippstufe 11. Daher erfaßt diese zweite Kippstufe 40 die Annäherung an das Tastverhältnis für 100%, bevor die Kippstufe 11 den Punkt für ein Tastverhältnis von 100% erreicht Die Arbeitsweise der zweiten Kippstufe 40 bei einem Tastverhältnis für 95% gestattet daß sie eine viel geringere Stabilität als das Hauptzeitglied 11 besitzt Eine rücktriggerbare monostabile Kippstufe ist für diesen Zweck ideal geeignet Die rücktriggerbare monostabile Kippstufe ist ein Schaltungsteil, bei dem die Periode durch irgendein eingangsseitiges Ereignis erneut gestartet wird, selbst wenn dieses noch innerhalb der Periode auftritt Daher bleibt ihr (^-Ausgang ständig im Η-Zustand (d. h. die Kippstufe 40 bleibt getriggert), wenn das eingangsseitige Tastverhältnis den 95%-Punkt übersteigt, für den die Parameter der Einrichtung ausgelegt sind. Wenn dieser Zustand auftritt. muß die Ausgangsgröße der monostabilcn Kippstufe 11 unwirksam gemacht werden, um eine unerwünschte Betriebsweise des Wandlers zu verhindern. Dies wird dadurch erreicht, daß ein zweiter Flip-Flop 42 (FF2) verwendet wird, dessen Setz-Eingang .9 mit dem Ausgang

ίο eines NAND-Gatters 43 (dieses ist als NAND-Verknüpfungsglied G 1 bezeichnet) verbunden ist, von dem seinerseits ein erster Eingang mit dem (^-Ausgang der Kippstufe 40 verbunden ist. Ein zweiter Eingang des NAN D-Verknüpfungsgliedes G 1 ist mit dem Ausgang des Inverters 41 verbunden. Dies ist eine logische Verknüpfungsschaltung, deren Ausgangsgröße nur dann in den L-Zustand umschaltet, wenn an beiden Eingängen Η-Signale anliegen. Wie bereits zuvor unter Bezugnahme auf den Flip-Flop FFl ausgeführt, ist die positive logische Operation des NAND-Verknüpfungsgliedes G1 durch den kleinen Kreis am Ausgangsende desselben angedeutet. Dieser zeigt auch an, daß es eine logische digitale Einrichtung mit Polaritätsumkehr ist. Der Rücksetz-Eingang von FF2 ist mit dem ^Ausgang der 95%-Kippstufe 40 verbunden. Der Flip-Flop FF2 wird somit gesetzt und bleibt immer dann gesetzt, wenn das Tastverhältnis 95% übersteigt (die 95%-Kippstufe wird durch Rücktriggerung gesetzt gehalten), und wird zurückgesetzt und bleibt zurückgesetzt, wenn das Tastverhältnis unterhalb 95% absinkt (die 95%-Kippstufe wird gesperrt). Die komplementären (^-Ausgänge von FF2 und der bistabilen Kippstufe 10 sind mit den Eingängen eines logischen NOR-Verknüpfungsgliedes 44 verbunden (dieses ist in der Abbildung als NOR-Ve rknüpfungsglied G 2 bezeichnet). Dies hat zur Folge, daß deren Ausgangsgröße in ihren Η-Zustand umschaltet und dort verbleibt, wenn das Tastverhältnis den Wert für 95% der Drehzahl übersteigt. Der Ausgang des NOR-Verknüpfungsgliedes G 2 ist mit dem Eingang der Ausgangsschaltung 12 verbunden. Wenn daher das Tastverhältnis den vorgegebenen Wert für 95% übersteigt welcher durch die rücktriggerbare, zweite Kippstufe 40 bestimmt wird, dann bleibt deren Q-Ausgang auf einem Η-Pegel und es erscheinen nunmehr negative Nadelimpulse am Ausgang des NAND-Verknüpfungsgliedes G1, wenn negative Flanken des Eingangssignals gemäß den F i g. 5a, 5e und 5f auftreten. Das Signal am Ausgang Q des Flip-Flop FF2 wird in diesem Falle durch den ersten negativen Nadelimpuls in seinen L-Zustand gekippt, der am Ausgang des NAND-Verknüpfungsgliedes G1 erscheint. Es bleibt in diesem L-Zustand so lange, bis es durch den Ablauf der Periode der Kippstufe 40 gemäß Fig.5g in seinen Η-Zustand rückgesetzt wird. Schließlich ist aus den F i g. 5d, 5g und 5h ersichtlich, daß das NOR-Verknüpfungsglied G 2 jeweils dann ein H-Ausgangssignal aufweist, wenn eines der beiden Signale an den (^-Ausgängen der beiden Flip-Flops im L-Zustand ist. Wenn also die Turbinendrehzahl hinreichend weit unter einer bestimmten Überdrehzahl liegt so daß das Tastverhältnis kleiner als 95% ist, dann folgt die Ausgangsgröße des NOR-Verknüpfungsgliedes getreulich dem Signal am (?-Ausgang der bistabilen Kippstufe 10, und der Wandler wird daher nur durch die erste monostabile Kippstufe 11 gesteuert Wenn das Tastverhältnis einen Wert entsprechend 95% übersteigt, dann wird die Ausgangsgröße des NOR-Verknüpfungsgliedes G 2 durch die rücktriggerbare zweite Kippstufe 40 gesteuert, schaltet in seinen Η-Zustand und verbleibt

dort so lange, bis die 95%-Kippstufe ihre Periode durchlaufen hat. Wenn daher das Tastverhältnis 95% übersteigt, steigt das Ausgangssignal des Wandlers abrupt auf seinen Maximalwert (d. h. entsprechend 100%) an, und man erhält dadurch eine maximale Steuerwirkung zur Verminderung der Turbinendrehzahl. Obwohl die zweite Kippstufe 40 die Steuerung der Wandlerausgangsgröße übernimmt, wenn das Tastverhältnis größer als 95% ist, ist in den F i g. 5a bis h ein Tastverhältnis größer als 100% dargestellt, um erneut die abwechselnd verlorenen Ausgangsimpulse der bistabilen Kippstufe 10 und den entsprechenden abrupten Abfall des Tastverhältnisses an der Kippstufe 10 auf 50% gemäß F i g. 3c darzustellen. Wenn das Tastverhältnis zwischen 95 und 100% liegt, gehen keine Impulse der Kippstufe 10 verloren, und die maximale Ausgangsgröße am Wandler wird immer noch durch die Wirkung der zweiten Kippstufe 40 erreicht. Daher wird das Problem bezüglich des 100% Tastverhältnisses bei der monostabilen Kippstufe in F i g. 1 überwunden durch Verwendung der zweiten Kippstufe und der ihr zugeordneten digitalen Verknüpfungsschaltung.

Der in Fig.4 gezeigte Frequenzspannungswandler ist zufriedenstellend für Anwendungszwecke, bei denen kein Rauschen am Eingang vorhanden ist. Wenn jedoch irgendein Rauschen auftritt, während die rücktriggerbare monostabile Kippstufe 40 noch ihre Standzeit oder Periodendauer durchläuft, dann wird dieses Eingangssignal den Flip-Flop FF2 setzen und dadurch eine maximale Ausgangsgröße des Wandlers für eine Periode der Kippstufe erzeugen. Dies ist jedoch nicht zulässig, da das Rauschen wahrscheinlich in Bursts auftritt und dadurch das Ausgangssignal des Wandlers auf seiner Maximalamplitude (100%) bei Turbinendrehzahlen halten wird, die kleiner sind als die Drehzahl, welche einem Tastverhältnis von 95% entspricht. Um daher zu verhindern, daß die monostabile Kippstufe 11 durch ein Rauschen kurzer Dauer vorzeitig unwirksam gemacht, d. h. erneut gesetzt wird, ist als zweite und bevorzugte Ausführungsform eine Anordnung nach Fig.6 mit einer Verzögerung der Außerbetriebsetzung vorgesehen. Dort wird diese Verzögerung der Außerbetriebsetzung dadurch erreicht, daß der Flip-Flop FF2 in F i g. 4 durch einen Mehrstufen-Binärzähler 60 und ein zweites logisches positives NAND-Verknüpfungsglied 61 (auch als NAND-Verknüpfungsglied G 3 bezeichnet) ersetzt wird, wobei die Eingänge des letzteren mit den Ausgängen des Binärzählers 60 verbunden sind. Der Ausgang des N AN D-Verknüpfungsgliedes G 3 ist mit einem Eingang des NOR-Verknüpfungsgliedes G 2 und auch einem Eingang des NAN D-Verknüpfungsgliedes G1 verbunden. Ein zweiter Inverter 62 ist zwischen den Ausgang des NAND-Verknüpfungsgücdcs Gl und den Zähleingang des Sinärzählers 60 geschaltet, um das positive Eingangssignal zu erhalten, wenn dies für einen bestimmten verwendeten Zähler erforderlich ist Der Zähler 60 wird jeweils dann rückgesetzt, wenn die Standzeit der rücktriggerbaren zweiten Kippstufe 40 zu Ende ist Da der Zähler nach der Darstellung in F i g. 6 durch ein Η-Signal zurückgesetzt wird, ist sein Rücksetz-Eingang R mit dem Ausgang Q der Kippstufe 40 verbunden. In sonstiger Hinsicht ist die Schaltung in F i g. 6 die gleiche wie in F i g. 4.

Die Kurven in den F i g. 7a bis j zeigen Signale, die an verschiedenen Punkten in der Schaltung nach Fig.6 erscheinen. Dabei stellen die in Fig.7a abgebildeten negativen Nadelimpulse das Eingangssignal dar, welches am Setz-Eingang S des Flip-Flop FFl zugeführt werden, um dessen Ausgang Qm den Η-Zustand gemäß der Abbildung in Fig. 7b zu kippen. Es sei angenommen, daß die ersten vier Perioden des Eingangssignals eine Turbinendrehzahl entsprechend einem Tastverhältnis von weniger als 95% darstellen. Weiterhin sei angenommen, daß die nächsten 18 Perioden eine Drehzahl entsprechend einem Tastverhältnis von mehr als 95%, jedoch weniger als 100% entsprechen, und die letzten drei Perioden erneut ein Tastverhältnis von wenigerals95% anzeigen. Da jede Periode des Eingangssignals einem Tastverhältnis von weniger als 100% entspricht, werden die Taktperioden der monostabilen Kippstufe 11 stets vollständig beendet, und daher gehen am Flip-Flop FFl keine Eingangssignale verloren. Wie bereits zuvor bemerkt, bleibt der Ausgang Q des FFl auf dem Η-Pegel (und der Ausgang Q bleibt auf dem L-Pegel) für gleich große Intervalle, jedoch mit einer höheren Frequenz, wenn das Tastverhältnis größer als 95% im Vergleich zu einem Zustand, in dem das Tastverhältnis kleiner ist als 95%. Das Signal am Ausgang Q der rücktriggerbaren Kippstufe 40 verhält sich in gleicher Weise wie in der Schaltung nach F i g. 4 insofern, daß es die Standzeit durchläuft und erneut getriggert wird bei jedem positiven Nadelimpuls für ein Tastverhältnis kleiner als 95%. Es bleibt in seinem H-Zustand, wenn das Tastverhältnis größer als 95% ist da es dann nicht seine Periode beenden kann, bevor das nächste Triggereingangssignal gemäß der Darstellung in F i g. 7c auftritt. Das NAND-Verknüpfungsglied G 1 arbeitet ebenfalls in der Schaltung nach F i g. 6 in der gleichen Weise wie in der Schaltung nach F i g. 4, indem es nur in derjenigen Zeitperiode negative Nadelimpulse erzeugt, in welcher der Ausgang Q an der Kippstufe 40 in dem Tastverhältnisbereich oberhalb 95% in seinem Η-Zustand gemäß der Darstellung in F i g. 7d bleibt.

Der Unterschied zwischen der augenblicklichen und der verzögerten Außerbetriebsetzung und den entsprechenden Schaltungen in den F i g. 4 und 6 wird in den Ausgangssignalen des Binärzählers in den F i g. 7e, f, g und h beim Vergleich mit dem Ausgang Q für FF2 in F i g. 5g deutlich. Der Binärzähler 60 verwendet in der dargestellten Ausführungsform vier mit FF2, FF3, FF4 und FF5 bezeichnete Fiip-Flop-Stufen. Der Zähler 60 zählt die Perioden des Eingangssignals, welche nach Polaritätsumkehr durch den Inverter 62 als positive Nadelimpulse erscheinen, während sich der Ausgang Q der rücktriggerbaren Kippstufe 40 in seinem H-Zustand befindet Die vier Stufen in dem Binärzähler €0 gestatten 14 Eingangsimpulse, bevor der Zähler eine maxima-Ie Zählzahl erreicht Der Zähler 60 wird jedesmal dann auf Null zurückgestellt wenn der Ausgang Q der Kippstufe 40 in den L-Zustand kippt und dadurch der komplementäre Ausgang Q, welcher mit dem Rfickstelleingang des Zählers verbunden ist in den H-Zustand kippt Daher muß das Eingangssignal zum Frequenzspannungswandler, das eine Kombination von normalen Drehzahlsignal-Impulsperioden und Rauschen enthalten kann, enger zusammenliegen als die Taktperiode der Kippstufe 40, damit der Zähler auf seine maximale Zahl

aufaddieren kann. Wenn die Zählzahl 15 erreicht ist, wird das NAND-Verknüpfungsglied G 3 angesteuert und kippt in seinen L-Zustand. Hierdurch wird das Eingangssignal zum Zähler 60 mittels des NAND-Verknüpfungsgliedes G1 gesperrt und dadurch wird der Zähler

auf der Zählzahl 15 gehalten. Diese Verhältnisse sind in den Kurven der F i g. 7e, f, g, h und i angedeutet Die Ausgangsgröße des NAND-Verknüpfungsgliedes G3 wird auch dem NOR-Verknüpfungsglied G 2 zugeführt

Daher bleibt das Ausgangssignal des NOR-Verknüpfungsgliedes G 2 in dem Zsitpunkt, in dem der Zähler 60 seine Zählzahl 15 erreicht, in seinem Η-Zustand und setzt damit die monostabile Kippstufe 11 außer Betrieb und hält das Wandlerausgangssignal auf 100%. Es ist zu beachten, daß bei einem Tastverhältnis von größer als 100% eine oder mehrere Perioden im Ausgangssignal des NOR-Verknüpfungsgliedes G 2 verloren gehen können, wie dies auch für das Ausgangssignal des FFl in Fig.3cgilt.

Selbst eine Gesamtzählzahl von 15 dauert jedoch ein zu kurzes Zeitintervall, um durch das Tiefpaßfilter in den Ausgangskreis 12 zu gelangen zur Betätigung des langsam arbeitenden Einlaßdampfventils für die Turbine, bevor das Ausgangssignal des NAND-Verknüpfungsgliedes G 3 in den L-Zustand gekippt ist. (Die Frequenz des Eingangssignals, die der Turbinennenndrehzahl entspricht. Hegt im Kiiohertz-Bereich, und daher stehen lediglich etwa 10 Millisekunden zur Verfügung, um die Außerbetriebsetzungsfunktion zu betätigen.)

Die Rauschunempfindlichkeit des Wandlers nach F i g. 6 ist sehr gut und hängt nicht in starkem Maße von der Kapazität des Zählers ab. Wenn daher der Ausgang der zweiten Stufe (FF3) des Zählers weggelassen wird, um die Verwendung des Verknüpfungsgliedes mit drei Eingängen für G 3 zu gestatten, dann gibt die daraus resultierende Zählzahl 13 immer noch eine gute Rauschunempfindlichkeit In solchen Fällen werden für eine in der Nähe der Betriebsfrequenz des Wandlers auftretende Rauschstörung sieben Rauscheingangssignale oder mehr als vier Paare solcher Eingangssignale mit irgendeinem beliebigen Abstand benötigt, um die Schaltung zur Außerbetriebsetzung zu betätigen. Wenn jedoch die Frequenz der Rauschstörung nur geringfügig kleiner ist als die Betriebsfrequenz des Wandlers, dann hat die Störung keine Auswirkung mehr auf die Ausgangsgleichspannung des Wandlers. Eine solche niedrigere Frequenz gestattet der Kippstufe, unmittelbar vor der Erreichung der Zählzahl 13 seine Standzeit zu beenden. Der Grenzwert ist abhängig von dem Tastverhältnis der Kippstufe bei der Frequenz des normalen Eingangssignals. Bei einem Anwendungsfall, in dem das Tastverhältnis bei normaler Betriebsdrehzahl 75% ist, ergibt sich eine Unempfindlichkeit für jede Störfrequenz unterhalb 91,2% der normalen Eingangsfrequenz. Das Anheben der Zählzahl auf den Wert 15 mit einer Schaltung gemäß F i g. 6 hebt dann die Unempfindlichkeit gegen Störfrequenzen nur auf 92,4%. Ein dreistufiger Zähler mit einer höchsten Zählzahl 7 ist immer noch unempfindlich gegen Störung bis zu 84% der normalen Frequenz. Ein solcher Zähler mit drei Stufen ignoriert drei getrennte Impulse oder zwei eng benachbarte Impulspaare mit irgendeinem Abstand, da die maximal vor dem Periodenende der Kippstufe erzielbare Zählzahl 6 ist.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Schaltung nach Fig.6 wurden folgende integrierte TTL-Schaltkreise verwendet Als rücktriggerbare monostabile Kippstufe 40 ein Element des Typs 74 122, als vierstufigen Binärzähler 60 ein Element des Typs 7493, und als erste Kippstufe 10 und Inverter 61, 62 wurden die vier mit jeweils zwei Eingängen versehenen NAND-Verknüpfungsglieder in einem TTL-Typ 7400 verwendet Falls nur eine Zählzahl von 13 benutzt wird, gestattet dies die Verwendung einer integrierten Schaltung des Typs TTL 7410, welche aus drei mit je drei Eingängen ausgestatteten Verknüpfungsgliedern besteht Dabei werden zwei Verknüpfungsglieder als NAND-Verknüpfungsglieder G 1 und G 3 verwendet, und das dritte Verknüpfungsglied arbeitet als ein negatives NOR-Glied G 2.

In den vorstehend beschriebenen Schaltungen wird vorzugsweise ein NOR- oder NAN D-Glied verwendet, da solche Einrichtungen leicht verfügbar sind und üblicherweise in TTL-Logikschaltungen verwendet werden. Es können jedoch auch OR- und AND-Logikschaltungen verwendet werden. F i q. 8 zeigt, wie die Anordnung nach F i g. 6 geändert werden kann, um solche OR- und AND-Schaltungen aufzunehmen. Die Unterschiede sind, daß der Flip-Flop FFl, das AND-Glied G 1, das OR-Glied G2 und das AND-Glied G3 in Fig.8 nicht polaritätsumkehrend sind, wie in Fig.6. Weiterhin ist am Eingang der Kippstufe 40 und des AND-Gliedes G1 kein Inverter erforderlich, und es ist auch kein Inverter vom Ausgang des AN D-Glieds G 1 zum Zähleingang des Binärzählers 60 erforderlich. In der Anordnung nach F i g. 8 ist jedoch ein Inverter 80 erforderlich vom Ausgang des AND-Gliedes G3 zum Eingang des AND-Glieds G 1, und das Eingangssignal für das OR-Glied G2 vom Flip-Flop FFl wird am Ausgang Q erhalten anstelle des Ausgangs Q wie in F i g. 6. In anderer Hinsicht sind die Schaltungen gleich und arbeiten in der gleichen Weise.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Frequenzspannungswandler mit einer fiber den Eingangsanschluß durch das Signal unbekannter Frequenz jeweils gesetzten ersten bistabilen Kippstufe, einer ersten, durch ein Ausgangssignal der ersten bistabilen Kippstufe jeweils gesetzten monostabilen Kippstufe, deren Ausgangssignal beim Rückfallen die erste bistabile Kippstufe zurücksetzt, und mit einer glättenden Rlterstufe, die ein binäres Ausgangssignal der ersten bistabilen Kippstufe in ein Gleichspannungssignal mit der Eingangsfrequenz proportionalen Größe umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal unbekannter Frequenz ferner eine rücktriggerbare monostabile Kippstufe (40) ansteuert, deren Standzeit etwas länger als diejenige der ersten monostabilen Kippstufe ί JI) und derart bemessen ist, daß diese Stufe (40) bei Überschreiten einer vorbestimmten Frequenzgrenze durch das Eingangssignal im gesetzten Zustand verbleibt und daß das Ausgangssignal dieser zweiten monostabilen Stufe einer derart ausgelegten digitalen Verknüpfungsschaltung (42-44) zugeführt ist, daß diese für die Dauer des gesetzten Zustands dieser zweiten monostabilen Stufe (40) das Ausgangssignal der ersten bistabilen Kippstufe (10) aufrechterhält.

2. Frequenzspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Verknüpfungsschaltung (42—44)