DE2439605A1

DE2439605A1 - Schaltungsanordnung zur umwandlung einer gleichspannung in eine impulsfoermige spannung

Info

Publication number: DE2439605A1
Application number: DE19742439605
Authority: DE
Inventors: Jun Theodore B Bozart
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1973-08-31
Filing date: 1974-08-17
Publication date: 1975-03-13
Also published as: FR2242818B1; CA1051555A; JPS5056137A; FR2242818A1; JPS5837593B2; GB1444649A; DE2439605C2

Description

04-3901 Ge 15. August 1974

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine'

impulsförmige Spannung.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine impulsförmige Spannung, deren Tastverhältnis der angelegten Gleichspannung proportional ist.

Bekannte Schaltungsanordnungen dieser Art verwenden einen Konstantfrequenz-Oszillator zur Erzeugung eines Grundsignales, welches in Abhängigkeit von einem angelegten Eingangssignal verändert wird. Diese Schaltungen sind relativ aufwendig_}und die Genauigkeit der Umwandlung hängt direkt von der Genauigkeit des Konstantfrequenz-Oszillators ab. .

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ein Konstantfrequenz-Oszillator nicht erforderlich ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen

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Figur 1 ein Schaltungsdiagrairan einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 1a ein durch die Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 erzeugter Impulszug;

Figur 2 ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Figur 3 ein Schaltungsdiagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Figur 1 wird ein Eingangssignal E dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 6 über einen Widerstand 4 zugeführt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 6 steuert einen Umschalter 16, der wahlweise eine Batterie 20 oder Masse über einen Widerstand 10 an einen Kondensator 8 anschließt. Der Kondensator ist andererseits an den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 6 angeschlossen und der Umschalter 16 ist weiterhin mit seinem gemeinsamen Schaltungspunkt über einen Widerstand 12 auf den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 6 zurückgekoppelt.

Im Betrieb erzeugt diese Schaltungsariordnung ein Ein /Aussignal, d.h. einen rechteckförmigen Impulszug mit abgeschrägten Dachflanken, dessen Tastverhältnis der Größe der am Eingang E angelegten Gleichspannung proportional ist. Der Kondensator 8 wird auf einen mittleren Spannungswert aufgeladen, der der angelegten Gleichspannung etwa gleich ist und kleine Abweichungen über und unter diesen Wert aufweist. Unter Zuhilfenahme der Figur 1a kann die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung besser verstanden werden, wobei in Figur 1a ein Impulszug dargestellt ist, der die Differenz zwischen der Spannung über dem Kondensator 8 und der über den Widerstand 12 auf den Differenzverstärker β zurückgekoppeltem Spannung darstellt. Die Eingangsspannung E_fi stellt die mittlere Kondensatorspannung dar und die einzelnen Stufen werden durch die Rückkopplung Über den Widerstand 12 erzeugt. Es sei angenommen, daß der Umschalter 16 gerade die Batterie 20 an den gegemeinsameis Schaltungspunkt angeschlossen hat. In diesem Fall lädt sich der Kondensator 8 allmählich auf die Spannung V₂₀ der

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Batterie 20 auf und die impulsförmige Spannung gemäß Figur 1a steigt solange an, bis sie den Wert der Eingangsspannung E erreicht hat. Wenn dieser Punkt erreicht ist, schaltet der Ausgang des Diffcrenz.verstärkers 6 um, wodurch der Umschalter 16 ebenfalls umgelegt wird. Dadurch wird ein negativer Spannungssprung in der durch den Widerstand 12 gebildeten Rückkopplungsschleife erzeugt. Dieser negative Spannungssprung macht sich als positiver Spannungssprung in Figur 1a bemerkbar, da der Widerstand 12 mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 6 verbunden ist. Dieser positive Spannungssprung innerhalb des Impulszuges erhebt sich über den Pegel der Eingangsspannung E . Im gleichen Zeitpunkt beginnt sich der Kondensator 8 gegen O V zu entladen, da der Umschalter 16 nunmehr an Masse als zweiter Referenzspannung liegt. Es ergibt sich somit gemäß Figur 1a eine abfallende Dachflanke, die solange abfällt, bis sie den Pegel der Eingangsspannung E_ erreicht. In diesem Punkt schaltet der Ausgang des Differenzverstärkers 6 wiederum um, wodurch der Umschalter 16 in seinen anfänglichen Schaltzustand zurückgelegt wird. Diese Schaltschritte wiederholen sich fortwährend, so daß sich die in Figur 1a dargestellte Impulsform ergibt.

Es sei hier vermerkt, daß in dem Fall, wo die Eingangsspannung E eine Veränderung erfährt, die Auflade- bzw. Entladedauer des Kondensators 8 bis zu dem Punkt,wo seine Ladung jeweils der anstehenden Eingangsspannung angeglichen ist, ebenfalls eine Veränderung erfährt. Es ist ersichtlich, daß das Tastverhältnis der impulsförmigen Spannung durch die angelegte Gleichspannung bestimmt wird.

Das durch die Schaltungsanordnung erzeugte Tastverhältnis findet man, indem man die durch die Kondensatoraufladung bzw. -entladung verursachten Teile des Impulszuges gemäß Figur 1a betrachtet, wobei daran erinnert sei, daß die positiven und negativen Spannungssprünge einander gleich sind. Betrachtet man jedoch die Länge eines einzelnen Impulses als Einheit und legt man den Umschalter 16 für einen Bruchteil r dieser Einheit an die Batterie 20, so wird durch diesen Bruchteil r das Tastverhältnis vorgegeben. In diesem Fall

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ergibt sich die mittlere Spannung auf dem Kondensator 8 als . ^r * Vor\· ^Da dieser Wert durch die Eingangsspannung E angenä wird, ergibt sich das Tastverhältnis r durch den Wert E /V_2Q.

Hieraus folgt, wenn man den Wert V₃₀ als festen Wert annimmt, daß die Schaltungsanordnung das Eingangssignal E in ein Ein/Aus-Signal umwandelt, welches ein zu der Eingangsspannung E proportionales Tastverhältnis aufweist. Ist der Wert V₃₀ veränderlich, z.B. ein zweites Eingangssignal, so erzeugt die Schaltungsanordnung ein Ein/Aus-Signal, dessen Tastverhältnis dem Verhältnis aus der Eingangsspannung E und der zweiten veränderlichen Spannung V₂₀ entspricht.

Es sei festgestellt, daß der Widerstand 12 einen Rückkopplungspfad für den Differenzverstärker 6 bildet. Die Spannung am gemeinsamen Schaltungspunkt des Umschalters 16 wird direkt durch den Verstärkerausgang gesteuert und diese Spannung wird durch den Widerstand 12 auf den Eingang des Differenzverstärkers 6 zurückgekoppelt. Diese Rückkopplung wirkt im positiven Sinne> da der Wechsel am Verstärkerausgang durch die Wirkung dieser Rückkopplung erzwungen wird. Der Widerstand 10 und der Kondensator 8 andererseits bilden eine negative Rückkopplungsschleife, da der Wechsel der Spannung am gemeinsamen Schaltungspunkt des Umschalters 16 dem durch diesen Rückkopplungspfad erzeugten Signal entgegengesetzt ist. Infolge des Kondensators 8 weist dieser negative Rückkopplungspfad eine verzögernde Wirkung auf.

Der Widerstand 12 ist relativ groß zu wählen, um die Spannungssprünge gemäß Figur 1a relativ klein zu halten und sicherzustellen, daß die Lade- und Entladekurven des Kondensators im wesentlichen linear verlaufen.

Gemäß Figur 1 wird das am gemeinsamen Schaltungspunkt des Umschalters 16 erzeugte Ein/Aus-Signal auf einen Transistor 24 geschaltet, welcher eine lichtemittierende Diode 28 steuert. Eine Fotodiode 30 ist optisch an die lichtemittierende Diode 28 angekoppelt,

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indem beide Elemente in einem lichtabschirmenden Gehäuse 32 angeordnet sind. Die Fotodiode 30 steuert einen Verstärker 36. Der Ausgang des Verstärkers 36 erzeugt somit ein Ein/Aus-Signal, d.h. er reproduziert das von dem Differenzverstärker 6 erzeugte Signal, wobei eine elektrische Isolierung beider Schaltkreise vorhanden ist. Der Spannungspegel, mit dem der die Fotodiode 30 enthaltende Schaltkreis betrieben wird, kann somit relativ zu der Betriebsspannung des die lichtemittierende Diode 28 enthaltenen Schaltkreises verschoben sein.

Der Verstärker 36 betätigt einen Umschalter 44, welcher entweder die positive . Versorgungsspannung V_Dr, oder eine Batterie 48 an

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einen Widerstand 52. und einen Kondensator 56.anlegt. Die mittlere Spannung über dem Kondensator 56, welche gleichzeitig die Ausgangsspannung E bildet, ist somit durch den Wert -r · V₄₈ bzw. den Wert -B · ^V4g/^V20 9^e9^{eben und} hängt zusätzlich von der positiven Versorgungsspannung V_ßB ab. Es ist somit ersichtlich, daß in dem Fall, wo die Spannung V.g konstant ist, durch die vorliegende Schaltung eine Demodulation des getasteten Signals in ein Gleichspannungssignal erfolgt. Wenn die Spannung V.« veränderlich ist, d.h. beispielsweise durch ein drittes Eingangssignal vorgegeben ist, so wird durch die vorliegende Schaltung das getastete Signal mit diesem dritten Eingangssignal einerseits multipliziert und andererseits auch demoduliert.

Figur 2 zeigt eine Abänderung des Schaltkreises gemäß Figur 1. Der Umschalter 16 ist durch zwei Feldeffekttransistoren 13 und 15 ersetzt worden und ein Inverter 19 wurde zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors 15 diesem vorgeschaltet* Die Batterie 20 wurde ersetzt durch einen Schaltkreis 17, welcher eine Konstantspannung erzeugt. In gleicher Weise wurde der Umschalter 44 durch zwei Feldeffekttransistoren 47 und 49 ersetzt und ein Inverter 45 wurde dem Feldeffekttransistor 47 zu dessen Ansteuerung vorgeschaltet. Die Batterie 48 ihrerseits wurde wiederum durch einen Schaltkreis 58 zur Erzeugung einer konstanten Spannung ersetzt.

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Figur 3 zeigt eine weitere Abänderung des Schaltkreises gemäß Figur 1 und umfaßt einige der Abänderungen gemäß Figur 2. In dieser Schaltanordnung besteht keine elektrische Isolierung durch eine optische Kopplung, vielmehr sind alle Teile elektrisch miteinander verbunden. Das bedeutet, daß in diesem Fall der Verstärker 36 entfallen kann, welcher gemäß den Figuren 1 und 2 das Ein/ Aus-Signal wieder hergestellt hat. Im vorliegenden Fall steuert der Ausgang des Differenzverstärkers 6 direkt und über einen Inverter 19 sowohl die Feldeffekttransistoren 47 und 49 als auch die Feldeffekttransistoren 13 und 15 an. Die Batterie 48 bzw. die Konstahtspannungsquelle 58 wurde durch eine Eingangsklemme 72 ersetzt, die an einen Verstärker 70 angeschlossen ist, so daß das Ausgangssignal E sich als das Produkt der beiden Eingangssignale

E und V_₂ ergibt. Weiterhin wurde der Feldeffekttransistor 49 an O V anstatt an die Versorgungsspannung V_ßB angeschlossen, so daß die Ausgangsspannung E nunmehr als positives Signal in Be-

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zug auf 0 V anstatt als negatives Signal, bezogen auf die Versorgungsspannung V₇,- , vorliegt.

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Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine. impulsförmige Spannung, deren Tastverhältnis der angelegten Gleichspannung proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (6) angeordnet ist, dessen Eingang die Gleichspannung zugeführt und dessen Ausgang einen Schalter (16) steuert, durch welchen an einen gemeinsamen Schaltungspunkt wahlweise zwei Referenzspannungen anschließbar sind, und daß der gemeinsame Schaltungspunkt einerseits über eine einen Widerstand (12) aufweisende positive Rückkopplungsschleife und ande- , rerseits über eine einen Widerstand (TO) sowie eine Reaktanz (8) aufweisende negative Rückkopplungsschleife auf den Eingang des Verstärkers (6) zurückgekoppelt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker ein Differenzverstärker (6) verwendet ist, an dessen invertierenden Eingang die umzuwandelnde Gleichspannung sowie die positive Rückkopplungsschleife angeschlossen ist und an dessen nichtinvertierenden Eingang die negative Rückkopplungsschleife angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekkenn zeichnet, daß als Reaktanz ein Kondensator (8) angeordnet ist.

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4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (16) zwei Feldeffekttransistoren (13,15) aufweist, die vom Ausgang des Verstärkers (6) gesteuert werden und im abwechselnd durchgeschalteten Zustand die jeweilige Referenzspannung über den Widerstand (10) an den Kondensator (8) legen.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,dadurch g e kennzei chnet, daß eine der beiden Referenzspannungen durch ein weiteres Eingangssignal steuerbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerschaltung eine Demodulator nachgeschaltet ist, welcher einen von dem Ausgang des Verstärkers (6) gesteuerten weiteren Schalter (44) aufweist, der ein Widerstands-Kondensator-Netzwerk (52, 56) wahlweise an zwei Referenzspannungen anschließt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung an den Demodulator potentialtrennend über eine optisch wirkende Schaltungsanordnung (28,30) angekoppelt ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirkende Schaltungsanordnung eine lichtemittierende Diode (28) und eine Fotodiode (30) aufweist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (44) aus zwei abwechselnd betätigbaren Feldeffekttransistoren (47,49) besteht.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet-, daß eine der beiden Referenzspannungen durch ein weiteres Eingangssignal steuerbar ist.

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11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Diode (28) und die Fotodiode (30) in einem lichtabschirmenden Gehäuse (32) angeordnet sind.

12. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder einem der folgenden als Signalverarbeitungseinrichtung.

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