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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Unter der Voraussetzung einer konstanten externen Vergleichsspannung
UT, die etwa die halbe Größe der Betriebsspannung U8 hat, sind die im Folgenden
angegebenen Dimensionierungsformeln vorteilhaft.
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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 .
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Das Vergleichspotential UN am nichtinvertierenden Eingang 3 des Operationsverstärkers
1 ist um den Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 13 höher als am Kondensator
12.
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US - UC UN = UC + R13 + R6 . R13.
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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 .
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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.
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Aus der Fig.2 ersieht man, daß die Schwingbedingung auch für höhere
Eingangsspannung UE eingegrenzt ist.
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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.
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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 .
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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3 Patentansprüche, 3 Figuren.