DE2548586C2 - Schaltung zur Erzeugung eines Digitalausgangssignals in Abhängigkeit von wenigstens einem Analogsignal - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltung zur Erzeugung eines Digital-Ausgangssignals in Abhängigkeit von wenigstens einem Analogsignal nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der »The Review of Scientific Instruments«, April -»5 1969, Seiten 559—562 ist ein Strom-Frequenzumsetzer für ein astronomisches Photometer bekannt, der einen aus einem Operationsverstärker und einem rückgekoppelten Kondensator gebildeten Integrator aufweist Der Stromintegrator wird durch einen Stromimpuls eines so Impulsgenerators zurückgesetzt, wenn der Ausgang des Integrators eine bestimmte Triggerspannung überschreitet. Der Impulsgenerator wird von einer Zener-Diode gebildet, die durch ein Flipflop leitend und nichtleitend gemacht wird und Rechteckimpulse abgibt. Diese Impulse werden dem Integrator über einen hochc-hmigen Widerstand zugeführt

IfI der Siemens-Zeitschrift Band 44, 1970, Heft 12, Seite 728 wird ein Gleichspannungs-Frequenzumsetzer mit kapazitiv rückgekoppeltem Operationsverstärker als Integrator gezeigt, der eine symmetrische Dreieckswelle erzeugt. Dabei ist ein Vergleich mit einem durch Komparatoren vorgegebenen oberen und unteren Referenzwert vorgesehen, wodurch über ein Flipflop der Beginn der jeweils anderen Flanke der Dreieckswel-Ie in nicht genauer dargestellter Art in die Wege geleitet wird. Über einen Umschalter wird die Eingangsspannung jeweils auf einen anderen Eingang des Operationsverstärkers umgeschaltet

Die DE-OS 19 46 245 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Verhinderung des Leerlaufs bei Elektrizitätszählern mit elektronischen Integriermeßwerken, bei der die Eingänge von Drift behafteten Bauelementen, wie Verstärker, Brückenschaltung, Modulatoren, Multiplizierer usw., periodisch umgeschaltet werden, so daß durch den Wechsel der Polarität eine Kompensation der jeweiligen Driftsignale auftritt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Erzeugung eines Digital-Ausgangssignals in Abhängigkeit von wenigstens einem Analogsignal zu schaffen, die einfach im Aufbau ist, eine große Genauigkeit aufweist und keine Neigung zum Driften zeigt.

Die Lösung hierfür ist im Patentanspruch 1 niedergelegt.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in F i g. 1 und 2 der Zeichnungen dargestellt.

Die in F i g. 1 gezeigte Schaltung hat Eingangsanschlüsse 10 und 11, an die die beiden Spannungssignale (von denen eines das Analogeingangssignal ist, das in Digitalform umzuwandeln ist) angelegt werden. Der Anschluß 10 ist über einen Widerstand 12 mit dem nicht invertierendem Eingangsanschluß eines Spannungskomparators 13 in integrierter Schaltkreisform verbunden, der als Spannungs-Stromwandier geschaltet ist. Ein p-n-p-Transistor 14 ist mit seiner Steuerelektrode mit

dem Ausgangsanschluö des Spannungskomparstors t3 verbunden. Die Emissionselektrode des Transistors 14 ist ober einen Widerstand 16 mit einer positiven Bezugsspannungsleitung und außerdem mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Spannungskompara- s tors 13 verbunden. Der Kollektor des Transistors 14 ist mit einer Seite eines Kondensators 17 verbunden, dessen andere Seite mit einer Leitung 18 verbunden ist, die mit einem Punkt in einer Widerstandskette 19 verbunden ist, welche zwischen die positive Stromleitung und Erde geschaltet ist An dem Eingangsanschluß 10 ist eine Vorspannung dadurch angelegt, daß dieser mit der positiven Stromleitung über einen Widerstand 20 und mit der Leitung 18 über einen Widerstand 21 verbunden ist

Die Spannung am Kondensator 17 wird von einem Spannungskomparator 22 in integrierter Schaltkreisform gemessen, dessen nicht invertierender Eingangsanschluß mit einer Seite des Kondensators 17 und dessen invertierender Eingangsanschluß mit dem Eingangsanschluß 11 verbunden sind. Der Ausgangsanschluß des Komparators 22 ist mit einem Eingangsanschluß eines retriggerbaren monostabilen Multivibrators 23 in integrierter Schaltkreisform verbunden, dessen anderer Eingangsanschluß geerdet ist, so daß die Ausgangsimpulslänge der Schaltung 23 durch einen Außenwiderstand 24 und einen Kondensator 25 bestimmt wird, die mit der positiven Spannungsstromleitung verbunden sind. Der <?-Ausgang der Schaltung 23 ist mit der Anode einer Diode 27 über einen Widerstand 26 verbunden, und die Kathode dieser Diode ist mit den Steuerelektroden von zwei n-p-n-Transistoren 28, 29 verbunden. Jeder davon ist mit seinem Kollektor mit der einen Seite des Kondensators 17 verbunden, und mit seiner Emissionselektrode ist er mit der Leitung 18 verbunden, so daß der Kondensator 17 entladen wird und Strom, der vom Transistor 14 durchgelassen wird, im Nebenschluß geleitet wird, wenn der Ausgang des Q-Ausgangsanschlusses hoch ist Der (J-Ausgai.gsanschluß der Schaltung 23 ist über einen Widerstand 33 mit der positiven Spannungsstromleitung und über einen Kondensator 31 und einen Widerstand 32 in Reihe mit der Steuerelektrode eines n-p-n-Transistors 33 verbunden. Der Kollektor des Transistors 33 ist mit der Kathode der Diode 27 verbunden, und dessen Emissionselektrode ist mit der Leitung 18 verbunden. Eine weitere Oiode 34 ist mit ihrer Kathode mit der Steuerelektrode des Transistors 33 und mit ihrer Anode mit der Leitung 18 verbunden.

Die bisher beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Beginnend unmittelbar nach Entladen des Kondensators 17 und nach Rückkehr der Transistoren 28, 29 in den nicht leitenden Zustand, zu einer Zeit, bei der der (^-Ausgang niedrig und der ^-Ausgang hoch ist, erhält 5 > der Kondensator einen konstanten Ladestrom über den Transistor 14, wobei die Stromstärke direkt proportional zur Spannung am Anschluß 11 ist. Wenn die Spannung am Kondensator 17 die Spannung am Anschluß 11 überschreitet, schaltet der Komparator 22 um, und dessen Ausgang wird positiv. Diese Änderung im Ausgang triggert die Schaltung 23, so daß der ^Ausgang hoch wird und der (^-Ausgang niedrig wird, und zwar für eine bestimmte Zeitdauer. Während der ^-Ausgang hoch ist, entladen die Transistoren 28, 29 den Kondensator 17, jedoch nach einer Verzögerung, die durch den Kondensator 31 und den Widerstand 32 bestimmt wird, beginnt der Transistor 33 zu leiten und leitet den Steuerelektrodenstrom von den Transistoren 28,29 weg, so daß diese wieder nichtleitend werden, Die Ladezeit des Kondensators 17 ist umgekehrt proportional zur Differenz zwischen der Spannung am Anschluß 10 und der an den Widerstand 16 angelegten Bezugsspannung und direkt proportional zur Spannung am Anschluß 11. Die Entladezeit ist von vernachlässigbarer Dauer, und die bisher beschriebene Schaltung arbeitet als ein Oszillator, dessen Frequenz direkt proportional zur Spannung am Anschluß 10 und umgekehrt proportional zur Spannung am Anschluß 11 ist

Um dieses Signal veränderlicher Frequenz in ein Digitalsignal umzuwandeln, ist ein rückstellbarer Zähler 35 vorgesehen, dessen Zeitgeber-Eingangsanschluß mit dem 5-AusgangsanschIuß der Schaltung 23 verbunden ist Der Vorgabe-Anschluß des Zählers 35 ist über drei monostabile Schaltkreise 36, 37 und 38 mit einem Timing-Eingangsanschluß 39 verbunden. Der Ausgangsanschluß der monostabilen Schaltung 38 ist mit einem Eingangsanschluß einer NUND-Tor ^haltung 40 verbunden, von der ein anderer EingangsaiiS'~hiuß mil dem Ausgangsanschluß des monostabilen Schaltkreises 37 verbunden ist Der Ausgangsanschluß der Torschaltung

40 ist mit dem Zählblockier-Anschluß des Zählers 35 verbunden. Eine Verriegelung 41 in integrierter Schaltkreisform ist mit dem Zähler 35 verbunden, und deren Last-Anschluß ist über einen Inverter 42 mit dem Ausgangsanschluß des monostabilen Schaltkreises 37 verbunden. Wenn im Betrieb ein Puls a;n Anschluß 39 empfangen wird, erzeugt der Schaltkreis 38 einen Impuls bestimmter Länge, und die Zählung wird gestoppt die Zählung im Zähler wird zur Verriegelung

41 transferiert, und der Zähler wird mit einem Initialzählzustand gefüllt, der Null oder ein anderer Zustand sein kann, je nach Anwendungsfall, und der in einer Vorgabematrix 43 gespeichert wird. Die beschriebene Schaltung kann in verschiedener Weise benutzt werden, und sie ist besonders zur Bildung eines Interfaces zwischen Wandlern und einem Digitaldatenverarbeiter für eine Impulslängenmodulation zur Verwendung in einem Brennstoffeinspritzsystem für einen Brennkraftmotor vorgesehen.

In ihrer einfachsten Anwendung wird ein fixer Spannungswert an den Anschluß 11 angelegt, und der Ausgang eines Druckwandlers wird an den Anschluß 10 angelegt. Der Druckwandler erzeugt einen Ausgang, der proportional zum Druck stromabwärts vom Drosselventil des Brennkraftmotors ist. Ein Signal festliegender Frequenz wird an den Anschluß 39 angelegt. Der Ausgang des Zählers 35 ist dann proportional zum erwähnten Druck.

In einer zweiten Anordnung kann ein Luftstromwandler, d^r ein Signal umgekehrt proportional zum Luftmengenstrom in den Brennkraftmotor erzeugt (d. h. eine gelenkige Klappe in der Luftansaugung, die als ein Potentiometer arbeitet), mit dem Anschluß 11 verbunden sein, während eine konstante Spannung an den Anschluß 10 angelegt ist. Ein Motordrehzahlsignal wird an den Anschluß 3i angelegt In diesem Fall ist der Ausgang das Integral der Luftstromrate über einen festliegenden Bruchteil einer Motorumdrehung hinweg. Schließlich kann ein Luftmassenstromraten-Wandler mit einer proportionalen Charakteristik mit dem Anschluß f0 verbunden sein, während der Anschluß 11 auf einer festliegenden Spannung gehalten wird. Ein Motordrehzahlsignal wird erneut an den Anschluß 39 angelegt, insofern, als der Ausgang das Integral der

Massenstromrate über einen festliegenden Bruchteil einer Motorumdrehung ist.

Die Wandler, die die Eingangssignale zur Schaltung liefern, können alternativ ein Luftvolumenwandler und ein Drosselwinkelwandler sein. Andere Kombinationen ■> von Betriebsgrößen können gewählt werden.

In bestimmten Fällen kann das Signal, das an den Anschluß 10 angelegt wird, fest sein, und in diesem Fall können die Schaltung 13 und die zugehörigen Bauteile und der Transistor 14 entfallen. Der Kondensator wird ι ο in diesem Fall direkt von der Stromquelle durch ein Konstantstromnetzwerk oder in bestimmten Fällen durch einen Widerstand geladen.

In der in Fig. 2 gezeigten Schaltung entsprechen die Eingangsanschlüsse 110 und 111 den Anschlüssen 10 und ι > 11 in Fig. 1. Der Anschluß JlO ist mit einer Erdleitung 112 über zwei Widerstände 113, 114 in Reihe und auch mit dem Kollektor eines n-p-n-Transistors 115 über 71UPJ u*£!t6r£ Widerstände 116,117 in Reihe verbunden. Die Emissionselektrode des Transistors 115 ist mit der -*> Erdleitung 112 verbunden. Die Verbindung zwischen den Widerständen 113, 114 ist mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Funktionsverstärkers 118 verbunden, und ein Widerstand 119 verbindet die Verbindung zwischen den Widerständen 116, 117 mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 118, und außerdem ist ein Rückkopplungskondensator 120 zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 118 geschaltet. jo

Die Widerstände 116, 117, 113 und 114 sind so gewählt, daß dann, wenn der Transistor 115 eingeschaltet ist, die Spannung an der Verbindung zwischen den Widerständen 116, 117 niedriger ist als an der Verbindung zwischen den Widerständen 113» !!4. " während die erstere Spannung die höhere ist, wenn der Transistor 115 abgeschaltet ist. Der Funktionsverstärker 118 arbeitet als ein Integrator, der die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen integriert, so daß dann, wenn der Transistor 115 eingeschaltet ist, der Ausgang des Integrators größer wird, und wenn er ausgeschaltet ist, der Ausgang geringer wird, wobei die Rampenrate in beiden Fällen direkt proportional zur Spannung am Anschluß 110 ist.

Der Transistor 115 wird durch eine Flipflopschaltung 121 geschaltet, die selbst durch zwei Spannungskomparatoren 122,123 gesteuert wird. Der Komparator 122 ist mit seinem invertierenden Eingangsanschluß mit dem Anschluß 111 und mit seinem nicht invertierenden Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 118 "erbunden. Der invertierende Eingangsanschluß des Komparator 123 ist mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 118 verbunden, uno dessen nicht invertierender Eingangsanschluß ist mit einer festliegenden Spannung verbunden.

Wenn also der Transistor 115 leitet, läuft der Ausgang des Verstärkers 118 bis zur Spannung am Anschluß 111 mit einer Rate hoch, die proportional zur Spannung am Anschluß 110 ist. Der vom Komparator 122 erzeugte Ausgang stellt dann die Flipflopschaltung 121 zurück, so daß sich der Transistor 115 abschaltet. Der Ausgang des Verstärkers 118 läuft dann ab, bis die festliegende Spannung erreicht ist, wenn der Komparator 123 einen Ausgang erzeugt, der die Flipflopschaltung 121 zurückstellt und das Spiel wieder beginnen läßt. Die gesamte Spieldauer ist umgekehrt proportional zur Spannung am Anschluß 110 und proportional zur Differenz zwischen der Spannung am Anschluß 111 und der festliegenden Spannung, die an den nicht invertierenden Anschluß des Komparators 123 angelegt wird.

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des Komparators 123 angelegte Spannung kann alternativ ein Bruchteil der Spannung am Anschluß 111 sein, abgeleitet durch eine Spannungsteilerkette zwischen dem Anschluß 111 und der Erdleitung 112. In diesem Fa!! kann die Periode direkt proportional zur Spannung am Anschluß 111 sein.

Die Anordnung des Zählers 135 und seiner zugehörigen Bauteile 136 bis 143 einschließlich ist genau die gleiche ·ν!β die Anordnungen entsprechender Teile 35 bis 43 in Fi g. 1.

Die Schaltung nach Fig. 2 ist genauer als die nach F i g. 1 wegen der Effekte der Versetzungen und anderer Fehler, die sich aufheben, indem beide Rampenraten entsprechend geändert werden, und der entstehende Zählfehler ist klein.

Wenn die Schaltung nach Fig. 2 als ein Teil eines Motorsteuersystems verwendet wird, z. B. für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, gibt es drei mögliche Arbeitsmodi. Zum einen kann eine festliegende Bezugsspannung an den Anschluß 110 und ein veränderliches Signal vom Motor an den Anschluß 111 angelegt werden. Die Frequenz des Signals, das an den Anschluß 139 angelegt wird, ändert sich entsprechend der Motordrehzahl. Zum zweiten kann das festliegende Bezugssignal an den Anschluß 111 angelegt werden, und veränderliche Signale können an die Anschlüsse 110 und 139 angelegt werden. Schließlich kann die Frequenz des Signals am Anschluß 139 fix sein, und zwei sich ändernde Signale können an die Anschlüsse 110 und 111 angelegt werden, so daß der Ausgang zum Verhältnis dieser beiden veränderlichen Signale in Beziehung gesetzt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche;

   1, Schaltung zur Erzeugung eines Digital-Ausgangssignals in Abhängigkeit von wenigstens einem Analogsignal mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler zur Erzeugung eines oszillierenden Signals aus einem ersten Spannungssignal und mit Mitteln zum Umwandeln des oszillierenden Signals in ein Digital-Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Frequenz-Wandler in an sich bekannter Weise einen Integrator (118) mit einem Kondensator (i20) enthält, der in Abhängigkeit von dem Analogsignal auf- und entladbar ist, wobei dem Integrator (118) Komparatoren (122,123) und ein Flipflop (121) nachgeschaltet sind, das die Auf- und Entladung des Kondensators

   (120) steuert, daß ferner der nicht invertierende Eingang des Integrators (118) (Operationsverstärker) mit einem ersten Spannungsteiler (113, 414) verbunden ic* an den das erste Spannungssignal gelegt wird und der invertierende Eingang des Integrators über einen Widerstand (119) mit einem zweiten Spannungsteiler (116,117), zu dem auch ein Transistor (115) gehört, verbunden ist, wobei der Kollektor des Transistors (115) durch das Flipflop

   (121) so gesteuert wird, daß bei leitendem Transistor (115) der Integratorausgang sich proportional zum ersten Spannungssignal vergrößert und bei nicht leitendem Transistor (115) der Integrator sich proportional zum ersten Spannungssignal verringert
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer derlvompa.atoren (122,123) mit einem zweiten Spannungssignal als Referenzsignal beschaltet ist
3. 3. Schaltung nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Umwandeln des oszillierenden Signals in ein Digitalsignal einen Zähler aufweisen, der so geschaltet ist, daß die Zahl der Schwingungen des oszillierenden Signals gezählt wird und Mittel gesteuert werden, die periodisch die Digitalzählung vom Zähler abziehen und deir Zähler zurückstellen.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Steuern eine Digitalverriegelung, Mittel zum Anlegen eines »Last«-Signals an die Verriegelung und Mittel zum Anlegen eines »Rückstelk-Signals an den Zähler nach Anlegen des »Last«-Signals an die Verriegelung aufweisen.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Steuern durch ein unabhängig veränderliches Frequenzsignal betätigbar sind.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Spannungssignal das Analog-Eingangssignal und das zweite Spannungssignal eine fixe Bezugsspannung ist
7. 7. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Spannungssignal das Analog-Eingangrsignal und das erste Spannungssignal eine fixe Bezugsspannung sind.
8. 8. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß die Mittel zum Steuern durch ein fixes Frequenzsignal betätigt werden und daß das erste und das zweite Spannungssignal beide Analog-Eingangssignale sind, derart daß der Digitalausgang zum Verhältnis der Analog-Eingangssignale in Beziehung steht