DE2439446A1 - Schaltungsanordnung zur umwandlung eines analogen spannungswerts in ein digitales tastverhaeltnis - Google Patents

Schaltungsanordnung zur umwandlung eines analogen spannungswerts in ein digitales tastverhaeltnis

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Description

  • Schaltungsanordnung zur Utnwandlung eines analogen Spannungswerts in ein digitales Tastverhältnis in ein digitales Tastverliältnis Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein digitales Tastverhältnis unter Verwendung eines rückgekoppelten Operationsverstärkers mit einem ersten und zweiten Eingang und mit einem Ausgang für ein von der Differenz der beiden Eingangssignale abhängiges Ausgangssignal.
  • Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der mit möglichst wenig Aufwand eine verlustarme elektronische Anzeige für den Analogwert einer Spannung insbesondere als Meßgröße bewerkstelligt werden kann. Dabei soll beispielsweise die Brückenspannung einer Meßbrücke oder eine sonstige Differenzspannung in eine Rechteckspannung beliebiger Frequenz umgewandelt werden, deren Tastverhältnis ein Maß für die Größedes eingespeisten Analogwerts ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß am ersten Eingang des Operationsverstärkers einEingang für den analogen Spannungswert UE liegt, daß der zweite Eingang des Operationsverstärkers ein Vergleichspotential UN führt und daß zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem zweiten Eingang ein Mitkopplungszweig und ein Gegenkopplungszweig liegen, wobei das Vergleichspotential UN durch die Mitkopplung erniedrigt und durch die Gegenkopplung erhöht wird, die durch die Gegenkopplung verursachte Änderung des Vergleichspotentials UN größer und zeitverzögert ist gegenüber der durch die Mitkopplung verursachten Änderung des Vergleichspotentials UN und das Verhältnis der Zeitverzögerungen für die Änderung des Vergleichspotentials UN in beide Richtungen bis zum jeweiligen Umschalten des Operationsverstärkers proportional ist dem analogen Spannungswert UE.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mit dem zweiten Eingang des CJperationsserstärkers ein Eingang für eine Vergleichsspannung UT in Verbindung steht, mit der die Grenze der Zeitserzögerung und damit der Proportionalitätsbereich der Umwandlung festgelegt werden. Während innerhalb des Proportionalitätsbereichs das Ausgangssignal des Operationsverstärkers eine Rechteckspannung mit proportionalem Tastverhältnis ist, hat Ct außerhalb des Proportionalitätsbereichs einen jeweils konstanten Wert. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich damit zusätzlich zu einer Schwellenwertanzeige verwenden.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß die zur Schwingungserzeugung notwendigen Rückkopplungen mit demselben Eingang des Operationsverstärkers verbunden sind, während der andere Eingang des Operationsverstärkers für den analogen Spannungswert UE rücLwirkungsfrei bleibt und damit einen Meßwert nicht beeinflußt.
  • An Hand eines in der; Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen die Fig.l eine prinzipielle Ausführung, die Fig.2 den dazugehörigen Spannungsverlauf an dem Verzögerungsglied im Gegenkopplungsxweig und am Ausgang des Operationsverstärkers und die Fig.3 eine konkrete Ausführung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein sogenanntes Eiswarngerät.
  • Ein Operationsverstärker 1 besitzt zwei Eingänge 2 und 3, wovon der erste 2 der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 1 und der zweite 3 der nichtinvertierende ist, und einen Ausgang 4. Der Eingang 2 des Operationsverstärkers 1 ist mit einem Eingang 5 der Schaltungsanordnung für eine analoge Eingangsspannung UE verbunden.
  • Der andere Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 liegt über einenohmschen Widerstand 6 am Ausgang 4. Dieser Ausgang 4 ist über einen ohmschen Widerstand 7 mit einem Anschluß 8 für eine positive Betriebsspannung verbunden und liegt außerdem über einen ohmschen Widerstand 9 an der Basis eines Transistors 10 vom pnp-Typ, dessen Emitter mit der Betriebsspannungsquelle 8 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 10 führt über einen ohmschen Widerstand 11 zum Bezugspotential. Mit diesem Bezugspotential verbunden ist außerdem die eine Seite eines Kondensators 12, dessen andere Seite - in der Zeichnung ist dieser Punkt mit 16 bezeichnet - über einen ohmschen Widerstand 13 am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1, über einen ohmschen Widerstand 14 am Kollektor des Transistors 10 und über einen ohmschen Widerstand 15 an einem Eingang 30 für eine externe Vergleichsspannung UT liegt. Das Potential an dem Punkt 16 ist mit Uc, das Potential am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 mit UN bezeichnet, die Betriebsspannung ist mit Us, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 4 mit UA bezeichnet.
  • In der Fig.2 sind der zeitliche Verlauf des Potentials UC am Punkt 16 und der zeitliche Verlauf der dazugehörigen Ausgangsspannung UA des Operationsverstärkers 1 dargestellt; dies für drei repräsentative Zustände innerhalb des Proportionalitätsbereichs: 1. Für den Fall, wo die analoge Eingangsspannung UB etwas unterhalb der externen Vergleichsspannung U liegt, 2. wo die analoge Eingangsspannung h klein ist gegenüber der Vergleichsspannung UT und 3. wo sie groß ist gegenüber der analogen Vergleichsspannung UT.
  • In dem einen S'chaltmoment d.h. an der negativen Flanke der Ausgangsspannung UA des Operationsverstärkers 1, wo sie einen niedrigen Wert annimmt, wird über die Mitkopplung über den ohmschen Widerstand 6 das Vergleichspotential UN am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 gesenkt, am Punkt 16 das Potential UC jedoch über den Gegenkopplungszweig erhöht, weil der Transistor 10 leitend geworden ist. Die Erhöhung dieses Potentials UC am Punkt 16 erfolgt jedoch nicht gleichzeitig, da der Kondensator 12 erst aufgeladen werden muß. Von dem Moment aber, wo die Gegenkopplung zeitverzögert wirksam geworden ist, läßt sie über den ohmschen Widerstand 13 das Vergleichspotential UN am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 ansteigen, so daß dieser wieder in seinen anderen Zustand umschaltet und an seinem Ausgang 4 eine Ausgangsspannung UA mit hohem Wert führt. Danach entlädt sich der Kondensator 12 über die ohmschen Widerstände 14 und t1, bis der Operationsverstärker 1 wieder anspricht und sich der Vorgang wiederholt. Aus der Fig.2 läßt sich das sich proportional ändernde Tastverhältnis der Ausgangsspannung UA in Abhängigkeit von der analogen Eingangsspannung UE innerhalb der wählbaren Grenzen UC min und U0 max erkennen. Die tatsächliche Potentialänderung A UC ist dabei unabhängig von der Höhe der analogen Eingangsspannung UE und entspricht immer der durch die Mitkopplung verursachten gleichbleibenden Potentialänderung L2UN. Da aber die Ladung des Kondensators 12 unabhängig vom Niveau UE immer bezogen auf das Potential UC max und die Entladung auf Uc min erfolgt, ergeben sich unterschiedliche Lade- und Entladezeiten, deren Verhältnis genau proportional zur analogen Eingangsspannung UE ist. Am Ausgang 4 des Operationsverstärkers 1 steht dann eine rechteckförmige Spannung UA mit proportionalem Tastverhältnis zur Verfügung.
  • Damit die Schwingungen im Proportionalitätsbereich der Schaltungsanordnung aufrechterhalten werden, muß bei der Dimensionierung der Bauelemente folgendes beachtet werden. Die durch die Mitkopplung verursachte Potentialänderung A UN am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 muß klein sein im Vergleich zu der rechnerischen statischen Potentialänderung A UN durch die Gegenkopplung innerhalb des Bereichs zwischen UC max und UC min. Liegt der Wert der analogen Eingangsspannung UE dazwischen, dann bleibt der Verstärker schwingfähig. Ist die analoge Eingangs spannung UE kleiner als das Potential UC min bezogen auf das Bezugspotential, dann bleibt der Operationsverstärker 1 dauernd gesperrt; ist dagegen die analoge Eingangsspannung US größer als Um marx so ist die Ausgangsspannung UA am Ausgang 4 des Operationsverstärkers 1 ständig auf niedrigem Niveau.
  • Außerhalb des Proportionalitätsbereiches dient damit die erfindung3-gemäße Schaltungsanordnung zur Grenzwertanzeige. Der Ruhewert für das Potential Uc wird durch die konstante externe Vergleichsspannung UT bestimmt.
  • Unter der Voraussetzung einer konstanten externen Vergleichsspannung UT, die etwa die halbe Größe der Betriebsspannung U8 hat, sind die im Folgenden angegebenen Dimensionierungsformeln vorteilhaft.
  • Denkt man sich das von der analogen Eingangs spannung UB am Eingang 2 stehende Potential wesentlich negativer als das Vergleichspotential UN, ist der Operationsveratärker 1 1gesperrt. Das Potential UC am Punkt 16 wird negativer sein als Potential am Eingang 30 der externen Vergleichsspannung UT. Trifft man die Vereinfachung UT/R14 # »U5/R6, dann gilt für das Potential Uo am Punkt 16 die Gleichung UT (R14+R11 U UT (R14+R11) U0 = R14+R15+R11 .
  • Das Vergleichspotential UN am nichtinvertierenden Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 ist um den Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 13 höher als am Kondensator 12.
  • US - UC UN = UC + R13 + R6 . R13.
  • Erhöht man die Eingangsspannung UE auf den Wert UE>UN, dann wird der Operationsverstärker 1 leitend, und seine Ausgangsspannung UA wird niedrig. Der Transistor 1Q wird über den ohmschen Widerstand 9 ebenfalls leitend. Im Kippmoment wird das Vergleichspotential UN um den Betrag US # UN R13 + R6 . R13 niedriger als das Potential UC am Punkt 16. Der Kondensator 12 wird aber gleichzeitig über den Transistor 10 und über den ohmschen Widerstand 14 nachgeladen, so daß das Potential UC am Punkt 16 gewissermaßen nachwächst. Der mögliche höchste Wert-für Uc ergibt sich US - UT UC max = UT + R14 + R15 . R15 .
  • Das Potential UC am Punkt 16 wird allerdings nicht diesen Betrag erreichen, da der Operationsverstärker 1 bereits nach dem Aufladen des Kondensators 12 um den Betrag #UN wieder abschaltet, das Vergleichspotential UN über die Mitkopplung über den ohmschen Widerstand 6 wieder anhebt und den Transistor 10 in den nichtleitenden Zustand schaltet.
  • Aus der Fig.2 ersieht man, daß die Schwingbedingung auch für höhere Eingangsspannung UE eingegrenzt ist.
  • LUN UE max # Uc max - #UN 2 Für Werte UE max ist der Operationsverstärker 1 dauernd eingeschaltet. Aus der Fig.2 ist für eine steigende Eingangsspannung UE die Veränderung des Tastverhältnisses des Potentials UC zu erkennen. Bei steigender Kurve für UC ist der Operationsverstärker 1 eingeschaltet, während er bei fallender Kurve ausgeschaltet ist. Die Änderung des Tastverhältnisses beruht darauf, daß sich der Kondensator 12 immer auf den maximal möglichen WeLt oder den minlm E Wert auf- oder entladen möchte, die an ihm stehende Spannung-aber tatsächlich lediglich um den Betrag a UN pendelt. Zwischen der analogen Eingangsspannung UE und dem Tastverhältnis der Rechteckspannung UA besteht nicht nur ein proportionaler Zusammenhang, sondern auch ein linearer, wenn die Ladezeitkonstante etwa der Entladezeitkonstante entspricht. In diesem Fall ist der ohmsche Widerstandswert R11 # R14 zu wählen. 3)er ohmsche Widerstand 11 kann auch als Ladewiderstand verwendet werden.
  • Die Schwingfrequenz wird wesentlich durch die Wahl des Kondensators 12 bestimmt. Angenähert gilt für die Frequenz bei gleichem Tastverhältnis US 1 fmax # UN R14 C12 .
  • Durch geeignete Dimensionierung kann man den Funktionsbereich zwischen UE min und UE max einengen oder ausweiten. Die Schalthysterese # UN engt den Funktionsbereich #UE weiter ein, daher muß #UN <UE sein. Bei den üblichen heute bekannten Operationsverstärkern soll UN n 50.... 200 mV betragen.
  • In der Fig.3 ist eine konkrete Anwendung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für eine Warnanzeige dargestellt. Die dabei verwendete Warnlampe blinkt ab einem genau bestimmten Grenzwert nur kurz auf. Bei größeren Gefahrenwerten wird die Hellphase immer länger; schließlich brennt die Warnlampe oberhalb eines bestimmten Grenzwerts dauernd. Als Beispiel ist ein Eiswarngerät gewählt.
  • Der prinzipielle Aufbau entspricht der in der Fig.1. Wieder sind enthalten ein Operationsverstärker 1 mit den beiden Eingängen 2 und 3 und dem Ausgang ; Ferner sind enthalten die Quelle 5 für die analoge Eingangsspannung UE, der ohmsche Mitkopplungswiderstand 6, der Anschluß 8 für eine positive Betriebsspannung in diesem Fall von 12 V, der ohmsche Widerstand 9 zwischen dem Ausgang 4 des Operationsverstärkers 1 und der Basis des Transistors 10, der Kondensator 12, und die vom Kondensator 12 d.h. vom Punkt 16 zum Eingang 3 des Operationsverstärkers 1, zum Kollektor des Transistors 10 und zum Eingang 30 für die externe Vergleichsspannung UT führenden ohmschen Widerstände 13, 14 und 15.
  • Der Anschluß 8 für die Betriebsspannung ist über ein RC-Glied, das aus einem Querkondensator 17 und aus einem ohmschen Längswiderstand 18 besteht, an einer Klemme 19 für eine positive Betriebsspannung von 12 V angeschlossen. Die Basis des Transistors 10 liegt über einen ohmschen Widerstand 20 an dem Anschluß 8. Als Ausgang der Schaltungsanordnung dient ein Anschluß 21, der mit dem Kollektor des Transistors 10 verbunden ist. Der Operationsverstärker 1 ist für seine Versorgungsspannung mit dem Bezugspotential und mit dem Betriebsspannungsanschluß 8 verbunden. Zum Einspeisen der externen Vergleichsspannung UT ist der ohmsche Widerstand 15 mit dem Teilerpunkt eines zwischen Bezugspotential und Betriebsspannungsanschluß 8 gelegten und aus der Reihenschaltung aus zwei ohmschen Widerständen 22 und 23 bestehenden Spannungsteilers verbunden. Der Eingang 5 für die analoge Eingangs spannung UE liegt am Teilerpunkt eines zwischen Bezugspotential und Betriebsspannungsanschluß 8 gelegten Spannungsteilers, der aus der Reihenschaltung eines Heißleiters 24 und eines einstellbaren ohmschen Widerstandes 25 besteht. An den Ausgang 21 der Schaltungsanordnung sind zur Anzeige alternativ eine Leuchtdiode 26 mit Serienvorschaltwiderstand 27 und Parallelvorschaltwiderstand 28 und eine Anzeigelampe 29 geschaltet.
  • Mit dem Heißleiter 24 wird die Temperatur gemessen. Ab einer Schwelle, d.h. ab einer zu warnenden Temperatur tritt der Wandler in Punkt tion und schaltet die Kontrollampe 29 bzw. die Leuchtdiode 26 bei kleiner Tastzeit nur kurzzeitig ein. Bei weiter sinkender Temperatur wird die Einschaltzeit der Kontrollampe 29 bzw. der Leuchtdiode 26 immer länger; bei Überschreiten der unteren Proportio-nalitätsschwelle, also beim Eiswarngerät bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes, leuchtet die Warnlampe 29 bzw. die Leuchtdiode 26 ständig auf.
  • Die Erfindung ist nicht auf das angeführte Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch einsetzbar bei einem mit Feldplatten ausgerüsteten Druckwertaufnehmer. Es wird damit eine verlustarme Anzeige mit billigen Kreuzspulinstrumenten ermöglicht.
  • 3 Patentansprüche, 3 Figuren.

Claims (3)

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein digitales Tastverhältnis unter Verwendung eines rückgekoppelten Operationsverstärkers mit einem ersten und zweiten Eingang und mit einem Ausgang für ein von der Differenz der beiden Eingangssignale abhängiges Ausgangssignal, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß am ersten Eingang (2) des Operationsverstärkers (1) ein Eingang (5) für den analogen Spannungswert UE liegt, daß der zweite Eingang (3) des Operationsverstärkers (1) ein Vergleichpotential UN führt und daß zwischen dem Ausgang (4) des Operationsverstärkers (1) und dem zweiten Eingang (3) ein Mitkopplungszweig und ein Gegenkopplungszweig liegen, wobei das Vergleichspotential UN durch die Mitkopplung erniedrigt und durch die Gegenkopplung erhöht wird, die durch die Gegenkopplung verursachte Änderung des Vergleichspotentials UN größer und zeit verzögert ist gegenüber der durch die Mitkopplung verursachten Änderung des Vergleichspotentials UN und das Verhältnis der Zeitverzögerungen für die Änderung des Vergleichspotentials UN in beide Richtungen bis zum jeweiligen Umschalten des Operationsverstärkers (1) proportional ist dem analogen Spannungswert UE
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mit dem zweiten Eingang (3) des Operationsverstärkers (1) ein Eingang (17) für eine Vergleichsspannung UT in Verbindung steht, mit der die Grenzen der Zeitverzögerung und damit der Proportionalitätsbereich der Umwandlung festgelegt werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c -h n e t , daß der erste Eingang (2) des Operationsverstärkers (1) ein invertierender Eingang und der zweite (3) ein nichtinvertierender Eingang ist, daß im Mitkopplungszweig ein ohmscher Widerstand (6) liegt, daß der Ausgang (4) über einen ohmschen Widerstand (7) mit einem Anschluß (-8) für eine Betriebsspannung verbunden ist, daß der Gegenkopplungszweig aus einem Transistor (10) und aus einem RC-Glied besteht, wobei die Basis des Transistors (10) über einen ohmschen Widerstand (9) mit dem Ausgang (4) des Operationsverstärkers (1), der Emitter an den Anschluß (8) für die Betriebsspannung und der Kollektor über einen ohmschen Widerstand (11) am Bezugspotential liegen, ein Kondensator (12) einerseits auf Bezugspotential liegt und andererseits über je einen ohmschen Widerstand (13 bzw. 14, 15) mit dem zweiten Eingang (3) des Operationsverstärkers (1), mit dem Kollektor des Transistors (10) und mit dem Eingang (30) für die Vergleichsspannung UT verbunden ist und wobei der Wert des zwischen Kollektor und Kondensator (12) liegenden ohmschen Widerstandes (14) sehr groß ist gegenüber dem des zwischen Kollektor und Bezugspotential liegenden ohmschen Widerstandes (11).
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DE2952311C2 (de) * 1979-12-24 1982-11-04 Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh, 6100 Darmstadt Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen einer Meßspannung in einen digitalen Wert
DE3039559A1 (de) * 1980-10-20 1982-05-27 Bosch-Siemens Hausgeräte GmbH, 7000 Stuttgart Schaltungsanordnung zum auswerten von an elektrischen sensoren abgreifbaren messgroessen

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