DE2612764C2

DE2612764C2 - Spannungs-Frequenz-Wandler

Info

Publication number: DE2612764C2
Application number: DE2612764A
Authority: DE
Inventors: Milan Dipl.-Ing. Mezek; Janez Dr.-Ing. Lubljana Trontelj; Anton Dipl.-Ing. Kranj Vencelj
Original assignee: Iskra ZP Ljubljana
Current assignee: Iskra ZP Ljubljana
Priority date: 1975-03-26
Filing date: 1976-03-25
Publication date: 1982-04-29
Also published as: DE2612764A1; YU35812B; YU75775A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungs-Frequenz-Wandler, dessen Eingangsklemme über zwei Schalter, wovon einer in Reihe mit einem Inverter liegt, ..an einen Operationsverstärker mit zwischen dessen invertierenden Eingang und Ausgang geschaltetem Integrationskondensator angeschlossen ist, mit wenigstens einer Vergleichsstufe am Ausgang des Operationsverstärkers, welche auf eine logische Schaltung geschaltet ist, die je nach Spannung am Ausgang der Vergleichsstufe ein Schließen des einen Schalters und öffnen des anderen Schalters und umgekehrt bewirkt.

Lm derartiger Spannungs-Frequenz-Wandler, der in

einer Anordnung zur Messung von Ortskoordinaten von Angriffspunkten eines Spannungsteilers eingesetzt ist, ist durch die CH-PS 4 93 077 bekannt geworden. Der

^r) Wandler arbeitet dort nach dem Spannungsvergleich«- prinzip mit nur in einzelnen Zeitintervallen auftretenden Meß- bzw. Vergleichszeit. Das Problem einer Kompencierung der Spannungswanderung des Operat'onsverstärkers und einer Unstabilität des lntegrationskondensators tritt nicht auf.

Spannungs-Frequenz-Wandler werden auch bei statischen Elektrizitätszählern verwendet. Da der statische Elektrizitätszähler für eine hohe Dynamik oder einen großen Arbeitsbereich gebaut ist, ist die Spannung sehr niedrig, die Umwandlung in die Frequenz muß jedoch über die ganze Dynamik oder den ganzen Arbeitsbereich genau sein.

Bekannte Schaltungen für solche Spannungs-Frequenz-Wandler basieren vor allem auf zwei Prinzipien Die Schaltungen nach dem ersten Prinzip verwenden die sog. »up-down«-Integration (Integration in beiden Richtungen), wogegen die Schaltungen nach dem zweiten Prinzip als Meßgrundlage einen genau definierten Impuls verwenden. Beide Arten von Schaltungen sind konstruktionsmäßig einander sehr ähnlich und sind mit einem Operationsverstärker, Integrationskondensator und einer logischen Schaltung aufgebaut. Der Unterschied zwischen den beiden Arten von Schaltungen liegt darin, daß bei der Schaltung nach dem zweiten Prinzip die logische Schaltung mit einem Quarzoszillatorgesteuert ist.

Die wichtigsten Nachteile dieser bekannten Schaltungen sind die Unstabilität des Integrationskondensators und die Spannungswanderung des Operationsverstärkers. Obwohl mit der Schaltung nach dem ersten Prinzip der Einfluß der Spannungswanderung des Operationsverstärkers, die immer in einer Richtung verläuft und einmal zu der Eingangsspannung addiert und ein anderes Mal von dieser subtrahiert wird, beseitigt werden kann, ist bei dieser Schaltung der Einfluß des Integrationskondensators, von dem auch die Ausgangsfrequenz abhängt, sehr stark fühlbar. Bei der Schaltung nach dem zweiten Prinzip beeinflußt der Integrationskondensator nicht mehr den Verlauf der Ausgangsfre- quenz, spürbar ist jedoch der Einfluß der Spannungswanderung des Operationsverstärkers, die zu der Eingangsspannung addiert oder von dieser subtrahiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungs-Frequenz-Wandler für statische Elektrizitätszähler zu schaffen, welcher die Vorteile der beiden bekannten Prinzipien vereinigt und gleichzeitig für anspruchsvollere Umwandlungen der Spannung in Frequenz geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf den Eingang des Operationsverstärkers zv/ei Kompensationsschalter geschaltet sind, die im geschlossenen Zustand über einen Widerstand eine negative Bzw. positive Referenzspannung auf den Operationsver- !stärker und den Integrationskondensator schalten, daß mit dem Eingang der logischen Schaltung ein Quarzos zillator verbunden ist, und daß die logische Schaltung derart aufgebaut und an die Kompensationsschalter angeschlossen ist, daß bei Auftreten einer Spannungsänderung der erste oder zweite der Kompensationsschalter während eines Impulses des Quarzoszillators geschlossen und dem Integrationskondensator eine negative bzw. positive Ladung zugeführt wird.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Spannungs-Frequenz-Wandler wird der Einfluß der Spannungswanderung des Operationsverstärkers mit der Vorzekhenänderung der *, Eingangsspannung herabgesetzt und der tinfluß des Integrationskondensators mit der Einführung eines genau definierten Impulses in die logische Schaltung beseitigt. Anordnung und Betätigung der Kompensationsschalter ergeben einen in seiner Polarität umschalt- ι υ baren Kompensationsladungsgeber.

Die Erfincung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung genauer erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Schaltung für den Spannungs-Frequenz-Wandler nach einer ersten Ausführungsart, und

Fig.2 die Schaltung für den Spannungs-Frequenz-Wandler nach einer zweiten Ausführungsart.

Die Schallung fur den Spannungs-Frequenz-Wandler ist aus einem Operationsverstärker 1, Vergleichsstufen 2u 2, 3, 4, einer logischen Schaltung 5 und einem Quarzoszillator 6 aufgebaut. Die Arbeitsweise der ' Schaltung für den Spannungs-Frequenz-Wandler ist im folgenden anhand des Schaltbildes nach Fig. 1 erläutert. Für den Fall, daß sich der Schalter 10 in der gezeichneten Stellung befindet, entlädt die Ausgangsspannung an der Eingangsklemme A den Integrationskondensator 9 bis auf eine Spannung — Un, die durch einen Widerstand 7 bestimmt ist. Wenn die Spannung am Kondensator 9 auf die Spannung — Ungesunken ist, ändert sich das Potential am Ausgang cder Vergleichsstufe 4, welche die logische Schaltung 5 in einen solchen Zustand versetzt, daß diese den Schalter 10 öffnet und über einen Inverter einen Schalter 11 schließt. Der Integrationskondensator 9 beginnt erneut geladen zu werden. Die Potentialänderung am mit der Ausgangsklemme D des Wandlers verbundenen Ausgang c der Verghichsstufe 4 setzt aber auch die logische Schaltung 5 in den Bereitschaftszustand für einen Impuls aus dem Quarzoszillator 6. Dieser Impuls lädt den Integrationskondensator 9 über einen Schalter 12 auf eine negative Spannung auf; die Eingangsspannung lädt ihn über den Schalter 11 solange auf, bis die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 die Spannung + U_H erreicht. Zu dieser Zeit schaltet die Vergleichsstufe 4 um, die logische Schaltung 5 ändert den Zustand der Schalter 10 und 11 und wartet auf den Impuls aus dem Quarzoszillator 6. Dieser Impuls schließt einen Schalter 13, der den Integrationskondensator 9 in positiver Richtung auflädt: die Emganijsspan/iung entlädt ihn über den Schalter 10 auf die Spannung — Un, worauf der ganze Zyklus wiederholt wird. Falls sich das Vorzeichen der Eingangsspannung ändert, wird sich der Integralionskondensator 9 auf das Potential an der Klemme 7 oder C aufladen, anstatt sich auf die Spannung Uu /u entladen. Wenn die Spannung am Ausgang c des Operationsverstärkers I eines der angegebenen Potentiale erreicht, ändern die Vergleichsstufen 2 oder 3 die Potentiale am Ausgang c, was ein Zeichen für die logische Schaltung 5 ist, daß die Einschaltreihenfolge der Schalter 10 und 11 bzw. 12 und 13 zu wechseln ist. Gleichzeitig wird an der Klemme C das Potential gewechselt und damit ist das Zeichen gegeben, daß die Eingangsspannung das Vorzeichen geändert hat. An Klemmen E und F werden die positive und negative Referenzspannung angeschlossen.

Bei der dargestellten und beschriebenen Schaltung für den Spannungs-Frequenz-Wandler wird die Eingangsspannungswanderung des Operationsverstärkers 1 zur Eingangsspannung addiert, dann aber von der invertierten Eingangsspannung subtrahiert oder umgekehrt. Der Integrationskondensator 9 wird mit einer genau bestimmten Ladung aufgeladen; daher wird der Einfluß der Kondensatorkapazität herabgesetzt. Der Einfluß des Integrationskondensators 9 ist nur während der Zeit bemerkbar, in der die logische Schaltung 5 auf den Impuls aus dem Oszillator 6 wartet, da in diesem Zeitabschnitt die Schaltung als ein Auf-Ab- (up-down)-Integrator arbeitet.

Der Einfluß des Integrationskondensators 9 wird noch herabgesetzt mit einer Schaltung für den Spannungs-Frequenz-Wandler nach Fig. 2. Die Schaltung ist dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich mit der Ausnahme, daß zwischen den Ausgang cder Vergleichsstufe 4 und die logische Schaltung 5 ein Digitalzähler 14 geschaltet ist. Jeder Impuls der Vergleichsstufe 4 wird an die logische Schaltung 5 geleitet, die den entsprechenden Schalter schließt. Solange sich der Ausgang des Digitalzählers 14, der durch eine Zahl N dividiert, an einem Potential befindet, wird die ganze Zeit der gleiche Schalter geschlossen; wenn jedoch TV Impulse ankommen, beginnt der andere Schalter zu schließen. Die Ausgangfrequenz ist in diesem Fall die Frequenz des Zählers 14. Eine gute Eigenschaft einer derart vervollkommneten Schaltung ist auch die, daß sie viel schneller die Vorzeichenänderung der Eingangsspannung feststellt, als der Wandler mit einem Impuls.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Spannungs-Frequenz-Wandler, dessen Eingangsklemme über zwei Schalter, wovon einer in Reihe mit einem Inverter liegt, an einen Operationsverstärker mit zwischen dessen invertierenden Eingang und Ausgang geschaltetem Integrationskondensator angeschlossen ist, mit wenigstens einer Vergleichsstufe am Ausgang des Operationsverstärkers, welche auf eine logische Schaltung geschaltet ibt, die je nach Spannung am Aurgang der Vergleichsstufe ein Schließen des einen Schalters und öffnen des anderen Schalters und umgekehrt bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Eingang (b)des Operationsverstärkers (1) zwei Kompensationsschalter (12, 13) geschaltet sind, die im geschlossenen Zustand über einen Widerstand eine negative bzw. positive Referenzspannung auf den Operationsverstärker (1) und den Integrationskondensator (9) schalten, daß mit dem Eingang der logischen Schaltung (5) derart aufgebaut und an die Kompensationsschalter (12, 13) angeschlossen ist, daß bei Auftreten einer Spannungsänderung der erste oder zweite der Kompensationsschalter (12, 13) während eines Impulses des Quarzoszillators (6) geschlossen und dem Integrationskondensator (9) eine negative bzw. positive Ladung zugeführt wird.

2. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere Vergleichsstufen (2,3) zwischen den Ausgang (c)des Operationsverstärkers (1) und den Eingang der logischen Schaltung (5) geschaltet sind, und daß die logische Schaltung (5) derart aufgebaut ist, daß bei Auftreten einer von Null verschiedenen Spannung am Ausgang (c) einer der weiteren Vergleichsstufen (2,3) die Einschaltung der mit der Eingangsklemme (A) des Wandlers verbundenen Schalter (10,11) und der Kompensationsschalter (12, 13) jeweils vertauscht erfolgt.

3. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingang (a) der ersten Vergleichssture (4) eine Kombination von Widerständen (7,8) angeschlossen ist, und daß der Ausgang (c) dieser Vergleichsstufe (4) mit der Ausgangsklemme (D) des Wandlers verbunden ist.

4. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang (c) der ersten Vergleichsstufe

(4) und die logische Schaltung (5) ein Digitalzähler (14) geschaltet und die Ausgangsklemme (D) des Wandlers an den Eingang der logischen Schaltung

(5) angeschlossen ist.