DE2439446B2

DE2439446B2 - Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein Rechtecksignal mit einem entsprechenden Tastverhältnis

Info

Publication number: DE2439446B2
Application number: DE19742439446
Authority: DE
Inventors: Klaus 8000 Muenchen Wetzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-16
Filing date: 1974-08-16
Publication date: 1980-04-30
Also published as: DE2439446A1; DE2439446C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein hältnis 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 Schaltungsordnung 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 Größe des eingespeisten Analogwerts ist

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß am ersten Eingang des Operationsverstärkers ein Eingang für den analogen Spannungswert liegt, daß der zweite Eingang des Operationsverstärkers ein Vergleichspotential führt und daß zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem zweiten Eingang ein Mitkopplungszweig und ein Gegenkopplungszweig liegen, wobei das Vergleichspotential durch die Mitkopplung erniedrigt und durch die Gegenkopplung erhöht wird, die durch die Gegenkopplung verursachte Änderung des Vergleichspotentials gröDer und zeitverzögert ist gegenüber der durch die Mitkopplung verursachten Änderung des Vergleichspotentials und das Verhältnis der Zeitverzögerangen tür die Änderung des Vergleichspotentials in beide Richtungen bis zum jeweiligen Umschalten des Operationsverstärkers dem analogen Spannungswert entspricht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers ein Eingang für eine Vergleichsspannung in Verbindung steht mit der die Grenzen der Zeitverzögerang festgelegt werden. Während innerhalb eines bestimmten Bereichs das Ausgangssignal des Operationsverstärkers eine Rechteckspannung mit dem Eingangssignal entsprechendem Tastverhältnis ist hat es außerhalb dieses Bereichs 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 rückwirkungsfrei 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. 1 eine prinzipielle Ausführung, die

Fig. 2 den dazugehörigen Spannungsverlauf an dem Verzögerungsglied im Gegenkopplungszweig und am Ausgang des Operationsverstärkers und die

F i g. 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 nichtinvertiArpnHo ict iinH pinpn A iicauno Λ Her Ρίηβϋπο ^ rloc

Operationsverstärkers 1 ist mit einem Eingang 5 der Schaltungsanordnung für eine analoge Eingangsspannung U_E verbunden. Der andere Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 liegt über einen ohmschen 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 Betriebsspannungsquells 8 verbunden ist Der KoI- ι ο lektor 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 ütar einen ohmschen Widerstand 15 an einem Eingang 30 für eine externe Vergleichsspannung U_T liegt Das Potential an dem Punkt 16 ist mit U_c, das Potential am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 mit U_n bezeichnet, die Betriebsspannung ist mit U_s, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 4 mit U_A bezeichnet

In der Fig. 2 sind der zeitliche Verlauf des Potentials t/_cam Punkt 16 und der zeitliche Verlauf der dazugehörigen Ausgangsspannung U_A des Operationsverstärkers 1 dargestellt; dies für drei repräsentative Zustände innerhalb des Bereichs, in dem das Tastverhältnis dem Eingangssignal entspricht: jo

l.Für den Fall, wo die analoge Eingangsspannung Ue etwas unterhalb der externen Vergleichsspannung U_T liegt.

2. wo die analoge Eingangsspannung U_E klein ist gegenüber der Vergleichsspannung U_T und ^iS 3.WO sie groß ist gegenüber der analogen Vergleichsspannung Ur in dem einen Schaltmoment d.h. an der negativen Flanke der Ausgangsspannung U_A des Operationsverstärkers 1, wo sie einen niedrigen Wert annimmt, wird über die Mitkopplung über den ohmschen Widerstand 6 das Vergleichspotential U_n am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 gesenkt, am Punkt 16 das Potential U_c jedoch über den Gegenkopplungszweig erhöht, weil der Transistor 10 leitend geworden ist Die Erhöhung dieses Potentials U_c 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 sich über den ohmschen Widerstand 13 das Vergleichspotential U_n am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 ansteigen, so daß dieser wieder in seinen anderen Zustand umschaltet und an seinem Ausgang 4 eine Ausgangsspannung U_A mit hohem Wert führt Danach entlädt sich der Kondensator 12 über die ohmschen Widerstände 14 und 11, bis der Operationsverstärker 1 wieder anspricht und sich der Vorgang wiederholt. Aus der Fig. 2 läßt sich das sich ändernde Tastverhältnis der Ausgangsspannung U_A in Abhängigkeit von der ana- ω logen Eingangsspannung U_E innerhalb der wählbaren Grenzen U_Cml„ und U₁ ·,„„, erkennen. Die tatsächliche Potentialänderung AU_C ist dabei unabhängig von der Höhe der analogen Eingangsspannung U_E und entspricht immer der durch die Mitkopplung verursachten b5 gleichbleibenden Potentialänderung AU_n. Da aber die Ladung des Kondensators 12 unabhängig vom Niveau U₁ dung auf U_Cmm erfolgt, ergeben sich unterschiedliche Lade- und Entladezeiten, deren Verhältnis dem Wert der analogen Eingangsspannung U_E entspricht Am Ausgang 4 des Operationsverstärkers 1 steht dann eine rechteckförmige Spannung U_A mit der Eingangsspannung U_E entsprechendem Tastverhältnis zur Verfugung.

Damit die Schwingungen in dem Bereich, in dem das Tastverhältnis der analogen Eingangsspannung entspricht, aufrechterhalten werden, muß bei der Dimensionierung der Bauelemente folgendes beachtet werden. Die durch die Mitkopplung verursachte Potentialänderung AU_n am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 muß klein sein im Vergleich zu der rechnerischen statischen Potentialänderung AU_n durch die Gegenkopplung innerhalb des Bereichs zwischen U_Cmax und Ucmin- Liegt der Wert der analogen Eingangsspannung U_E dazwischen, dann bleibt der Verstärker schwingfähig. Ist die analoge Eingangsspannung U_E kleiner als das Potential U_Cmi„ bezogen auf das Bezugspotential, dann bleibt der Operationsverstärker 1 dauernd gesperrt; ist dagegen die analoge Eingangsspannung U_E größer als Ucmcx, so ist die Ausgangsspannung U₄ am Ausgang 4 des Operationsverstärkers 1 ständig auf niedrigem Niveau. Außerhalb des genannten Bereiches dient damit die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Grenzwetianzeige. Der Ruhewert für das Potential U_c wird durch die konstante externe Vergleichsspannung Uj bestimmt

Unter der Voraussetzung einer konstanten externen Vergleichsspannung U_T, die etwa die halbe Größe der Betriebsspannung U_s hat sind die im Folgenden angegebenen Dimensionierungsformeln vorteilhaft.

Denkt man sich das von der analogen Eingangsspannung Ue am Eingang 2 stehende Potential wesentlich negativer als das Vergleichspotential U_n, ist der Operationsverstärker 1 gesperrt. Das Potential U_c am Punkt 16 wird negativer sein als das Potential am Eingang 30 der externen Vergleichsspannung U₁-. Trifft man die Vereinfachung U_TIR_H>U_sIR_b, dann gilt für das Potential Uc am Punkt 16 die Gleichung

Il SQ 4. P \

Ut 1Λ14Τ A 11/

Das Vergleichspotential U_n am nichtinvertierenden Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 ist um den Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 13 höher als am Kondensator 12.

U_n = U_c+

Erhöht man die Eingangsspannung U_E auf den Wert U_E>U_N, dann wird der Operationsverstärker 1 leitend, und seine Ausgangsspannung U_A wird niedrig. Der Transistor 10 wird über den ohmschen Widerstand 9 ebenfalls leitend. Im Kippmoment wird das Vergleichspotential U_n um den Betrag

A U_n =

Ru +Rt,

<»-»rv*Yc»r» nnf Ho

• •r.r\ A.c En(Io niedriger als das Potential i/₍am Punkt 16. Der Kondensator 12 wird aber gleichzeitig über den Transistor 10 i'lKarrlen nhrn

clion \XI■ H

daß das Potential t/_fam Punkt 16 gewissermaßen nachwächst. Der mögliche höchste Wert Tür U_c ergibt sich

= U_t+

R₁

Das Potential U_c am Punkt 16 wird allerdings nicht diesen Betrag erreichen, da der Operationsverstärker 1 bereits nach dem Aufladen des Kondensators 12 um den Betrag Δ Us wieder abschaltet, das Vergleichspotential U_n 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 U_E eingegrenzt ist.

Uε „»χ ^ U₁

AU_n

C max'

Für Werte U_Emax ist der Operationsverstärker 1 dauernd eingeschaltet. Aus der Fig. 2 ist für eine steigende Eingangsspannung i/_£die Veränderung des Tastverhältnisses des Potentials U_c zu erkennen. Bei steigender Kurve für U_c 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 Wert oder den minimal möglichen Wert auf- oder entladen möchte, die an ihm stehende Spannung aber tatsächlich lediglich um den Betrag A Us pendelt. Zwischen der analogen Eingangsspannung U_v und dem Tastverhältnis der Rechteckspannung U_A besteht ein linearer Zusammenhang, wenn die Ladezeitkonstante etwa der Entladekonstante entspricht. In diesem Fall ist der ohmsche Widerstandswert R,, <R _:4 zu wählen. Der 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

_f „ Us_.

J max jj η

C₁V «14

Durch geeignete Dimensionierung kann man den Funktionsbereich zwischen U_Emin und UEmax einengen oder ausweiten. Die Schalthysterese AU_n engt den Funktionsbereich AU_E ein, daher muß

AU„<U_E

sein. Bei den üblichen heute bekannten Operationsverstärkern soll U_n » 50 . . . . 20OmV betragen.

In der F ig. 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 4. Ferner sind enthalten die Quelle 5 für die analoge Eingangsspannung U_E. der ohmsche Mitkopplungswiderstand 6, der An-Schluß 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 vorn 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 U_T führenden ohmschen Widerstände 13,14 und 15.

Der Anschluß 8 für die Betriebsspannung ist über ein ÄC-Glied, das aus einem Querkondensator 17 und aus einem ohmschen Längswiderstand 18 besteht, an einei Klemme 19 für eine positive Betriebsspannung von 12V angeschlossen. Die Basis des Transistors 10 liegt übei einen ohmschen Widerstand 20 an dem Anschluß 8, Als Ausgang der Schaltungsanordnung dient ein An-Schluß 21, der mit dem Kollektor des Transistors 10 verbunden ist. Der Operationsverstärker 1 ist für seine Versorgungsspannung mit dem Bezugspotential und mil dem Betriebsspannungsanschluß 8 verbunden. Zum Einspeisen der externen Vergleichsspannung U_Tist dei ohmsche Widerstand 15 mit dem Teilerpunkt eine: 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 Eingangsspannung U_E 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 Π 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 Funktion und schalte! die Kontrollampe 29 bzw. die Leuchtdiode 26 bei kleiner Tastzeit nur kurzzeitig ein. Bei weiter sinkendei Temperatur wird die Einschaltzeit der Kontrollampe 29 bzw. der Leuchtdiode 26 immer länger; bei Überschreiten einer unteren Schwelle, 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 einsetzbai bei einem mit Feldplatten ausgerüsteten Druckwertaufnehmer. Es wird damit eine verlustarme Anzeige mit billigen Kreuzspulinstnimenten ermöglicht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein Rechtecksignal mit einem entsprechenden 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, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Eingang (2) des Operationsverstärkers (1) ein Eingang (S) für den analogen Spannungswert (U_E) liegt, daß der zweite Eingang (3) des Operationsverstärkers (1) ein Vergleichspotential (U_n) führt und is daß zwischen dem Ausgang (4) des Operationsverstärkers (1) und dem zweiten Eingang (3) ein Mitkopplungszweig und ein Gegenkopplungszweig liegen, wobei das Vergleichspotential (U_n) durch die Mitkopplung erniedrigt und durch die Gegenkopplung erhöht wird, die durch die Gegenkopplung verursachte Änderung des Vergleichspotentials (U_n) größer und zeitverzögert ist gegenüber der durch die Mitkopplung verursachten Änderung des Vergleichspotentials (U_n) und das Verhältnis der Zeitverzögerangen für die Änderung des Vergleichspotentials (U_n) in beide Richtungen bis zum jeweiligen Umschalten des Operationsverstärkers (1) dem analogen Spannungswert (U_E) entspricht.

2. Schaltungsordnung nach Ansprach 1, dadurch jo gekennzeichnet, daß mit dem zweiten Eingang (3) des Operationsverstärkers (1) ein Eingang (30) für eine Vergleichsspannung (l/_r) in Verbindung steht, mit der die Grenzen der Zeitverzögerung festgelegt werden. j5

3. Schaltungsordnung nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet daß der erste Eingang (2) des Operationsverstärkers (1) ein invertierender Eingang und der zweite (3) ein nichtinvertiersnder 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 ÄC-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 (U) 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 U_T verbunden ist und wobei der Wert des zwischen Kollektor und Kondensator (12) liegenden ohirschen Widerstandes (14) sehr groß ist gegenüber dem des zwischen Kollektor und Bezugspotential liegenden ohmschen Widerstandes bo (11).