DE2621585A1

DE2621585A1 - Signalumsetzer

Info

Publication number: DE2621585A1
Application number: DE19762621585
Authority: DE
Inventors: Osamu Igarashi; Nobuaki Miyakawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1976-11-25
Also published as: GB1552462A; DE2621585B2; DE2621585C3; US4068138A; JPS51134049A

Description

Signalumsetzer

Die Erfindung betrifft einen Signalumsetzer zum Umsetzen eines beliebigen, sich ändernden Eingangssignales in ein Ausgangssignal mit absolutem Wert. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Signalumsetzer, bei dem ein bestimmtes Eingangssignal, beispielsweise ein Spannungssignal, von einem Temperaturfühler, einem Lagedetektor, einem Geschwindigkeitsmesser oder dergleichen, in ein Ausgangssignal mit absolutem Wert umgesetzt v/erden kann, der im wesentlichen proportional einer Differenz des ~£±ngangssignales zu einem vorgegebenen Bezugssignal oder Bezugswert ist.

60984 8/0738

In vielen Fällen ist eine solche Signalumsetzung erforderlich. Wenn beispielsweise ein ermitteltes Signal, das sowohl in den negativen als auch in den positiven Bereich übergehen kann, in digitaler Form angezeigt wird, ist es erforderlich, daß der Absolutwert des ermittelten Signales und das Vorzeichen des Absolutwertes vorliegen. Der Absolutwert in analoger Form wird in ein digitales Signal umgesetzt und das umgesetzte Signal, sowie das negative oder positive Vorzeichen werden tait geweiligen Anzeigeeinrichtungen voneinander getrennt angezeigt.

Signale dieser Art sind beispielsweise eine sich ändernde Temperatur, ein Lage-Feststellsignal, ein Geschwindigkeitsdifferenzsignal, das von einem vorgegebenen Bezugssignal beziehungsweise Bezugswert abweicht, und dergleichen.

Des einfacheren Verständnisses halber soll die Erfindung beziehungsweise die der Erfindung zugrunde liegenden Probleme nachstehend anhand von Teraperaturmessungen beschrieben v/erden.

Bekannte !Temperaturfühler weisen in Abhängigkeit von der zu messenden Temperatur entweder eine monoton, stetig ansteigende Kennlinie oder eine monoton, stetig abfallende Kennlinie der ermittelten Ausgangsspannung auf. Beispielsweise besitzt der wärmeempfindliche Widerstand TSR 5-1001F, der von der Firma Corning Co.»U.S.A. hergestellt wird, eine ansteigende Kennlinie beziehungsweise einen ansteigenden Kurvenverlauf und bekannte Thermistor-Elemente besitzen abnehmende Kennlinien.

Um den Absolutwert der gemessenen Temperatur zu erhalten, ist es daher erforderlich, einen Signalumsetzer zu verwenden, der im Bereich von negativen Temperaturen eine abfallende Kennlinie und im Bereich positiver Temperaturen bei einer Grenztemperatur von 0° C eine ansteigende Kennlinie beziehungsweise einen an-

60 9848/0738

steigenden Kurvenverlauf aufweist.

Solche herkömmlichen Signalumsetzer besitzen zwei Verstärker. Einer der Verstärker weist die abfallende Kennlinie auf und wird für den Bereich negativer Temperaturen verwendet und der andere Verstärker weist eine ansteigende Kennlinie auf und wird für den Bereich positiver Temperaturen verwendet. Die beiden Verstärker v/erden bei einer Grenztemperatur von 0° C umgeschaltet, beziehungsweise das Signal wird bei der Grenztemperatur von 0° C . von einen Verstärker auf den anderen umgeschaltet. Ein solcher Signalumsetzer weist jedoch den Nachteil auf, daß zwei Verstärker erforderlich sind, so daß eine große Anzahl von Bauteilen erforderlich werden und der Umsetzer teuer wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Signalumsetzer zu schaffen, der mit einem Verstärker auskommt, so daß ein kostengünstiger Umsetzer mit einer kleinen Zahl von Bauteilen geschaffen werden kann.

Ein Signalumsetzer, der diese Aufgabe löst, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Vergleichsstufe, die das Eingangssignal mit einem vorgegebenen Bezugssignal vergleicht und ein Steuersignal erzeugt, eine Operationsverstärker-Stufe mit zwei Eingängen, denen das Eingangssignal und das vorgegebene Bezugssignal zugeleitet werden, um ein der Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem vorgegebenen Bezugssignal proportionales Signal zu erzeugen und eine Schalterstufe, die die an die beiden Eingänge angelegten Signale in Abhängigkeit von dem von der Vergleichsstufe bereitgestellten Steuersignal vertauscht.

Die Erfindung schafft also einen Signalumsetzer, der eine sich ändernde Eingangsspannung, beispielsweise das Ausgangssignal eines Detektors,in einer Ausgangsspannung mit

609848/0738

absolutem Wert^umsetzt, wobei der Signalumsetzer einen Operationsverstärker, einen Vergleicher und zwei Gruppen elektronischer Schalter aufweist. Der Vergleicher

vergleicht die sich ändernde Eingangsspannung mit einer vorgegebenen Bezugsspannung. Der Operationsverstärker besitzt einen negativen und einen positiven Eingang und erzeugt in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den an den beiden Eingängen anliegenden Spannungen eine Ausgangsspannung. Wenn die Eingangsspannung kleiner als die Bezugsspannung ist, wird die eine Gruppe von elektronischen Schaltern umgeschaltet, so daß die Eingangsspannung an den negativen und die Bezugsspannung an den positiven Eingang des Operationsverstärkers gelangt. Wenn die Eingangsspannung größer als die Bezugsspannung ist, wird die andere Gruppe der elektronischen Schalter umgeschaltet, so daß die Eingangsspannung an den positiven und die Bezugsspannung an den negativen Eingang des Operationsverstärkers gelangt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Temperaturanzeige-Einrichtung, bei der ein Signalumsetzer gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform verwendet wird,

Figur 2 eine typische Temperatur-Ausgangsspannungs-Kennlinie eines bekannten Detektors, der im Zusammenhang mit der in Figur 1 dargestellten Temperaturanzeiger-Einrichtung verwendet wird,
Figur 3 eine Umsetzer-Kennlinie des in Figur 1 dargestellten

Signalumsetzers und
Figur 4- ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Figur Λ ist eine Detektorschaltung 1 dargestellt, die in Abhängigkeit von der zu messenden Temperatur ein Spannungs-

-5 -

609848/0738

signal am Ausgang bereitstellt. In der Detektorschaltung 1 liegt' über dem Emitter und der Basis eines pnp-Transistors eine konstante Vorspannung an. Die Vorspannung wird durch die Widerstände 11 und 3 vorgegeben, die mit einer Gleichspannungsquelle 8 in Reihe geschaltet sind. Mit dem Bezugszeichen 12 ist ein Emitter-Widerstand versehen. Eine solche Schaltungsanordnung ist allgemein als Konstant-Spannungsquelle bekannt, so daß durch einen Fühler 15 immer ein konstanter Strom fließt. Der Fühler 15 j beispielsweise ein temperaturempfindlicher Widerstand TSR 5-1001F, ändert in Abhängigkeit der zu messenden Temperatur seinen Widerstandswert und am Fühler 15 tritt ein Spannungs-Ausgangssignal V^j- in Abhängigkeit von der Temperatur auf, wie dies in Figur 2 dargestellt ist.

Die Ausgangsspannung V^,- wird einer Vergleichsstufe 2 zugeführt, in der dieses Ausgangssignal V^,- mit einer vorgegebenen Bezugsspannung Vpi verglichen wird. Der Vergleicher 22 besitzt zwei Eingänge; ein Eingang ist mit dem Ausgang der Detektorschaltung 1 und der andere Eingang mit dem verschiebbaren Abgriff eines Potentiometers 21 verbunden, mit dem die Bezugsspannung V₂₁ eingestellt wird. Am Ausgang des Vergleichers 22 liegt ein Inverter 23.

Wenn die gemessene Ausgangsspannung V^₁- kleiner als die Bezugsspannung V₂₁ ist, so tritt am Ausgang des Verglei-. chers 22 ein binärer "1"-Pegel und am Ausgang des Inverters 21 ein binärer "O"-Pegel auf. Wenn die festgestellte Ausgangsspannung V^ dagegen größer als die Bezugsspannung V₂₁ ist, tritt am Ausgang des Vergleichers 22 ein Signal mit dem Binärwert "0" und am Ausgang des Inverters 23 ein Signal mit dem Binärwert "1" auf. Im vorliegenden Falle wird die vorgegebene Bezugsspannung V₂₁ des Potentiome-

- 6-

6098 4 8/0738

ters 21 durch die Spannung Vq festgelegt, die gleich der von der Detektorschaltung 1 erzeugten Spannung ist, wenn die zu ermittelnde Temperatur eine bestimmte Grenztemperatur ist. Die Grenztemperatur ist, wie Figur in Figur 2 dargestellt ist, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel 0° C.

Eine Schalterstufe 3 wird vom Ausgangssignal der Vergleichsstufe 2 gesteuert. Yfenn das Ausgangssignal des Vergleichers 22 einen binären "1"-Pegel und das Ausgangssignal des Inverters 23 einen binären "O"-Pegel aufweist, werden die elektronischen Schalter 2Ί und 22 der Schalterstufe 3 in den leitenden Zustand und die anderen elektronischen Schalter 33 und 3²I- beide in den nichtleitenden Zustand gebracht. Die Ausgangsspannung V^c der Detektorschaltung 1 gelangt an einen Eingang 48 einer Operations-Verstärkerstufe 4. Einem v/eiteren Eingang 49 wird eine Spannung Ep einer veränderlichen Gleichspannungsquelle 9 zugeleitet.

Wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 22 einen binären "0"-Pegel und das Ausgangssignal des Inverters 23 einen binären "1 "-Pegel auf v/eist, v/erden die elektronischen Schalter 31 "und. 32 in den nichtleitenden und die anderen elektronischen Schalter 33 und- 3²J- in den leitenden Zustand gebrächt. Die vorgegebene Bezugsspannung Vp^ liegt am Eingang

48 der Operationsverstärker-Stufe 4 und die Ausgangsspannung V^c der Detektorschaltung 1 liegt am anderen Eingang

Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Vergleichers 22 und das Ausgangssignal des Inverters 23 einer Zustands-Anzeigenstufe 5 zugeführt, die für die gemessene Temperatur ein negatives oder positives Zeichen anzeigt. V7enn das Ausgangssignal des Vergleichers 22 eine binäre "1" ist,

609848/0738

fließt ein Basisstrom durch einen Widerstand 51, so daß der Transistor 53 in den leitenden Zustand übergeht und der Kollektorstrom fließt durch einen Kollektrowiderstand 57 und eine Photodiode 55. Die Photodiode 55 sendet daher Licht aus und dient der Anzeige des Minüs-Signales.

In entsprechender Weise leuchtet eine weitere Photodiode 56, die das Plus-Zeichen anzeigt, auf, wenn am Ausgang des Inverters 23 ein binäres "1"-Signal auftritt.

In der Operationsverstärker-Stufe 4 ist der Eingang 4-8 mit dem Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 41 über einen Eingangswiderstand 42 verbunden. Zwischen dem Minus-Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 41 liegt ein Rückkoppel-Widerstand 43. Der Eingang 49 der Operationsverstärker-Stufe 4 steht über die aus den Widerständen 44 und 45 gebildete Reihenschaltung mit Masse in Verbindung, wobei der Verbindungspunkt der Widerstände 44 und 45 mit dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers 42 verbunden ist.

Wie bereits zuvor erwähnt, wird die Ausgangsspannung Vender Detektorschaltung 1 an den Minus-Eingang des Operationsverstärkers 41 geleitet, wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 22 einen "1"-Wert aufweist. Eine Spannung, die durch Spannungsteilung der von der veränderlichen Gleichspannungsquelle 9 bereitgestellten Spannung E2 durch die Widerstände 44 und 45 erhalten wird, wird dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers 41 zugeleitet.

Es seien V_auSK und V_im die Ausgangsspannung beziehungsweise die Spannung am Minus-Eingang des Operationsverstärkers 41 und R^2 beziehungsweise R^ die Widerstandswerte der Widerstände 42 und 43. Dann gilt folgende Gleichung (1):

609848/0738

Λ5 ~ im = im "" ausg _.

^R43

Aus Gleichung (1) ergibt sich, daß die Spannung V. durch folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden kann:

^R42*^Vausg ^{+ R}43'^V15 (2)

^R42 ^{+ R}43

Bezüglich des Plus-Eingangs des Operationsverstärkers 41 gilt dagegen die Gleichung (3):

Dabei sind R₁^, beziehungsweise R^₁- die Widerstandswerte der Widerstände 44 und 4-5 und V- die Spannung am Plus-Eingang des Operationsverstärkers 4-1.

Da die Spannungen am Minus- und am Plus-Eingang, also die Spannungen V- und V- einander nahezu gleich und auch gleich dem Massepegel sind, weil der Operationsverstärker 4-1 einen e'xtrem hohen Verstärkungsfaktor aufweist, ergibt sich aus den Gleichungen 2 und 3 folgende Gleichung (4):

^R42»^Vausg ^{+ E}43-^V15 „ ^R44

" ' " ——————

^R42 ^{+ R}43 ^R/l 'I⁺^¹15

Wenn in Gleichung (4) R₂^₂ = R^—R^ und

gesetzt wird, so läßt sich die Ausgangsspannung V_o„__ durch

8.1X5 g

folgende Gleichung (5) darstellen:

^Vausg

R₁

609848/0738

Die Ausgangs spannung V_Q_,__ weist daher einen Wert auf, der

ausg

proportional der Differenz der Spannungen E₂ und V₁,- ist und gibt die abfallende Kennlinie in Abhängigkeit vom Ansteigen der Ausgangs spannung V₁₁- des Fühlers 15 wieder.

Wenn die Ausgangsspannung des Vergleichers 22 dagegen einen "O"-Wert aufweist,liegt am Minus-Eingang des Operationsverstärkers 41 die der Grenztemperatur entsprechende, vorgegebene Bezugsspannung V₂₁ an, wogegen am Plus-Eingang die Ausgangsspannung V₁c der Detektorschaltung 1 auftritt.

Durch Ersetzen der Werte E₂ und V₁₁- durch die Werte V₁ c und V₂₁ erhält man in diesem Falle aus der Gleichung (5) für die Ausgangsspannung V
41 folgende Gleichung (6):

für die Ausgangsspannung ν_,,_^ des Operationsverstärkers

ausg

ausg 2__ (_Y

Unter diesen Voraussetzungen ist die Ausgangsspannung V_{1 r} der Detektorschaltung 1 immer größer als das der Grenzfrequenz entsprechende Spannungssignal Vp/i, so daß die Gleichung (6) die ansteigende Kennlinie wiedergibt. Die veränderliche Gleichspannungsquelle 9 wird auf einen Wert eingestellt, so daß sie eine Spannung bereitstellt, die gleich der vorgegebenen Bezugsspannung V₂₁ ist.

Auf diese Weise tritt am Ausgang der Operationsverstärker-Stufe 4 ein Ausgangssignal auf, das den in Figur 3 dargestellten Verlauf aufweist.

- 10 -

609848/0738

Das Ausgangssignal der Operationsverstärker-Stufe 4 wird von einem Analog-Digital-Umsetzer 6 in ein digitales Signal umgesetzt und durch, eine digitale Anzeige 7 angezeigt. Wie aus der vorangegangenen Beschreibung deutlich wird, ist es durch die erfindungsgemäßen Funktionsweisen möglich, mit nur einem Operationsverstärker auszukommen und es ist daher auf diese Weise möglich, die Zahl der Baukomponenten und Schaltungsteile zu verringern und damit Kosten zu sparen.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde der Fall beschrieben, bei dem der Verlauf des Ausgangssignales der Operationsverstärker-Stufe 4 von einer abfallenden Kennlinie in eine ansteigende Kennlinie übergeht. Lediglich durch Umkehren der Plus- und Minus-Eingänge des Vergleichers 22 läßt sich jedoch erreichen, daß das Ausgangssignal von einer ansteigenden Kennlinie in eine abfallende Kennlinie übergeht« Durch Indern der Spannung E~ der veränderlichen Gleichspannungsquelle 9 lassen sich darüber hinaus unterschiedliche Änderungen in der Kennlinie erzielen.

In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zusätzliche Widerstände 46 und 47 vorgesehen. Wenn sich die elektronischen Schalter 33 und 34 im leitenden Zustand befinden, tritt am Plus-Eingang des Operationsverstärkers 41 die durch die Widerstände 44 und 47 spannungsgeteilte Ausgangsspannung Yj, c und am Minus-Eingang die über den Widerstand 46 zugeleitete, vorgegebene Bezugsspannung Y^ ^auf· Außer den Bezugszeichen 46 und 47 entsprechen die Bezugszeichen der Figur 2 den Bezugszeichen der Figur 1.

Wenn die Widerstandswerte der Widerstände 46 und 47 gleich sind und mit E, bezeichnet werden, geht die Gleichung (6) in die Gleichung (7) über:

. - 11 -■6 09848/0738

i _(γ

Die vorliegende Erfindung kann außer zur Temperaturmessung auch zu Messungen anderer Größen herangezogen werden, da die Größen in Form einer Spannung gemessen v/erden. Darüber hinaus weist diese Spannung eine ansteigende und abfallende Kennlinie beziehungsweise einen ansteigenden und abfallenden Verlauf auf.

Wie zuvor ausgeführt, sind mit der vorliegenden Erfindung verschiedene Umformungen beziehungsweise Umwandlungen von Kennlinien und Kennwerten mit einer einfachen Schaltungsanordnung möglich.

- 12 -

609848/0738

Claims

Patentansprüche

1. Signalumsetzer zum Umsetzen eines beliebigen, sich ändernden Eingangssignales in ein Ausgangssignal mit absolutem Wert, gekennzeichnet durch eine Vergleichsstufe (2), die das Eingangssignal mit einem vorgegebenen Bezugssignal vergleicht und ein Steuersignal erzeugt, eine Operationsverstärker-Stufe (4) mit zwei Eingängen, denen das Eingangssignal und das vorgegebene Bezugssignal zugeleitet werden, um ein der Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem vorgegebenen Bezugssignal proportionales Signal zu erzeugen und eine Schalterstufe (3), die die an die beiden Eingänge angelegten Signale in Abhängigkeit von dem von der Vergleichsstufe (2) bereitgestellten Steuersignal vertauscht.

2. Signalumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärkerstufe (4) zwei unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweist, die in Abhängigkeit von dem von der Vergleichsstufe (2) bereitgestellten Steuersignal umgeschaltet werden.

3. Signalumsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennz eichnet, daß das Bezugssignal verändert werden kann.

4. Signalumsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennz eichnet, daß das Bezugssignal aus einem ersten und einem zweiten Bezugssignal besteht, daß das erste Bezugssignal der Vergleichsstufe (2) zugeführt wird, daß die Schalterstufe (3) das zweite Bezugssignal an den einen Eingang der Operationsverstärker-Stufe (4) und das Eingangssignal an den anderen Eingang der Operationsverstärker-Stufe (4) legt, wenn das Steuersignal einen ersten Wert aufweist, und daß die Schalterstufe (3) das Eingangssignal an den einen Eingang der Operationsverstärker-Stufe (4) und das erste Bezugssignal an den anderen Eingang der Operationsverstärker-Stufe (4) legt, wenn das Steuersignal einen zweiten Wert aufweist.

609R/, R/0738