DE2659728A1

DE2659728A1 - Linearity error reduction circuit - uses control unit, integrator comprising amplifier and capacitor, and comparator for voltage frequency converter

Info

Publication number: DE2659728A1
Application number: DE19762659728
Authority: DE
Inventors: Jozsef Farkas; Gyoergy Dr Kiraly; Miklos Dr Machacs
Original assignee: Nehezvegyipari Kutato Intezet
Current assignee: Nehezvegyipari Kutato Intezet
Priority date: 1976-01-02
Filing date: 1976-12-31
Publication date: 1977-07-14
Also published as: HU172591B

Abstract

Linearity error reduction of voltage frequency converter uses control unit, integrator comprising amplifier and in parallel connected capacitor and comparator. An ohmic resistor (6) is connected in series with the capacitor (5) of the integrator. The resistance value includes delay time, which is caused in the converter, and the capacitance of the capacitor (5). The ohmic resistor (6) is a variable resistor. Current (6) which is proportional to the voltage to be converted, flows to the input of a control unit (13). The output of the control unit is connected to the input (3) of an integrator. It has a second input (2) which is earthed.

Description

Schaltungsanordnung zur Verkleinerung Circuit arrangement for reduction in size

des Linearitätsfehlers von Spannungs-Frequenzumsetzern Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verkleinerung des Linearitätsfehlers von Spannungs-Frequenzumsetzern mit einer Schalteinheit, einem Integrator, der aus einem Verstärker und einem parallel dazu geschalteten Kondensator besteht, und mit einem Vergleicher. of the linearity error of voltage-frequency converters The invention relates to a circuit arrangement for reducing the linearity error of voltage-frequency converters with a switching unit, an integrator consisting of an amplifier and a parallel there is connected capacitor, and with a comparator.

Die Erfindung kann bei Frequenz-Spannungsumsetzern angewendet werden, die einen oder mehrere gesteuerte Schalter, einen Integrator, der aus einem Verstärker und einem parallel dazu geschalteten Kondensator besteht, und einen an den Integrator angekoppelten Vergleicher enthalten;Der Eingang des Integrators ist direkt oder über einen ohmschen Widerstand mit dem Eingang des Verstärkers verbunden.The invention can be applied to frequency-voltage converters, the one or more controlled switches, an integrator consisting of an amplifier and a capacitor connected in parallel, and one to the integrator connected comparator included; the input of the integrator is direct or connected to the input of the amplifier via an ohmic resistor.

Spannungs-Frequenzumsetzer werden auf verschiedenen Gebieten der Technik in verbreitetem Maße eingesetzt. Die verschiedenen in der Praxis benutzten Typen können in drei Hauptgruppen bezüglich ihrer Arbeitsprinzipien aufgeteilt werden. Dieser Umstand wird in einer Veröffentlichung von J. Graeme, Electronic Design, 1. April 1975 und M.J. Wright, Electronic Engineering, Juli 1973 diskutiert.Voltage-frequency converters are used in various fields of technology widely used. The different types used in practice can be divided into three main groups regarding their Working principles split will. This fact is discussed in a publication by J. Graeme, Electronic Design, April 1, 1975 and M.J. Wright, Electronic Engineering, July 1973.

Die drei Hauptgruppen sind Spannungs-Frequenzumsetzer mit Entladeschalter, Umsetzer mit Polaritätsschalter und ladungsgesteuerter Umsetzer.The three main groups are voltage-frequency converters with discharge switches, Converter with polarity switch and charge-controlled converter.

Die Arbeitsweise des Umsetzers mit Entladeschalter kann in zwei Phasen aufgeteilt werden. In der ersten Ladephase wird der Kondensator des Integrators durch einen Strom aufgeladen, der proportional der umzusetzenden Spannung ist, und als Funktion dieses Aufladeeffektes steigt die Ausgangsspannung des Integrators linear an. Wenn die Ausgangsspannung des Integrators einen vorbestimmten oberen Referenzpegel erreicht hat, so wird der Komparator aktiviert und steuert einen Entladeschalter an. Zu diesem Zeitpunkt beginnt eine zweite, eine Entladephase. Der während der ersten Phase oder Periode aufgeladene Kondensator des Integrators entlädt sich über den nun geschlossenen Entladeschalter, und die Ausgangsspannung des Integrators fällt ab. Wenn die Ausgangsspannung des Integrators gleich einem vorbestimmten unteren Referenzpegel ist, so wird der Komparator erneut aktiviert und öffnet den Entladeschalter. Zu diesem Zeitpunkt beginnt eine weitere Ladeperiode.The converter with discharge switch can work in two phases be divided. In the first charging phase, the capacitor becomes the integrator charged by a current that is proportional to the voltage to be converted, and as a function of this charging effect, the output voltage of the integrator increases linear. When the output voltage of the integrator has a predetermined upper Has reached the reference level, the comparator is activated and controls a discharge switch at. At this point a second, a discharge phase begins. The during the The integrator's capacitor charged in the first phase or period is overdischarged the now closed discharge switch, and the output voltage of the integrator falls off. When the output voltage of the integrator is equal to a predetermined lower Is the reference level, the comparator is activated again and opens the discharge switch. At this point, another charging period begins.

Die Wirkungsweise des Spannungs-Frequenzumsetzers mit Polaritätsschalter kann ebenfalls in zwei Perioden aufgeteilt werden. Während der ersten Periode wird der Kondensator des Integrators durch einen Strom aufgeladen, der proportional der umzusetzenden Spannung ist, und die Ausgangsspannung des Integrators steigt linear an, bis ein oberer Referenzpegel erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt steuert der Komparator oder Vergleicher einen Polaritätsschalter, der im Ansprechen auf diese Steuerung einen Strom zum Eingang des Integrators koppelt, wobei dieser Strom entgegengesetzt dem Ladestrom fließt, jedoch ebenfalls proportional der umzusetzenden Spannung ist.How the voltage-frequency converter works with polarity switch can also be divided into two periods. During the first period will the capacitor of the integrator is charged by a current proportional to the voltage to be converted, and the output voltage of the integrator increases linearly until an upper reference level is reached. At this point in time the comparator controls or a comparator polarity switch that is responsive to this control couples a current to the input of the integrator, this current being opposite the charging current flows, but is also proportional to the voltage to be converted.

Der entgegengesetzt gerichtete Strom entlädt den Kondensator im Integrator, und der Entladevorgang dauert an, bis die Ausgangsspannung des Integrators unter den vorbestimmten Referenzpegel abfällt. Zu diesem Zeitpunkt steuert der Vergleicher erneut den Polaritätsschalter derart, daß er erneut in den vorhergehenden Zustand gelangt, und der Polaritätsschalter führt einen Strom zum Ausgang des Integrators, welcher proportional zur umzusetzenden Spannung ist und eine Polarität aufweist, die der Ladeperiode entspricht. Durch diesen Schaltvorgang beginnt eine neue Ladeperiode.The oppositely directed current discharges the capacitor in the integrator, and the discharging process continues until the output voltage of the integrator falls below drops below the predetermined reference level. The comparator controls at this point in time again the polarity switch in such a way that it returns to the previous state arrives, and the polarity switch leads a current to the output of the integrator, which is proportional to the voltage to be converted and has a polarity, which corresponds to the charging period. This switching process starts a new charging period.

Die Arbeitsweise des ladungsgesteuerten Spannungs-Frequenzumsetzers kann ebenfalls in zwei Perioden aufgeteilt werden. In der ersten Periode wird der Kondensator im Integrator durch einen Strom aufgeladen, der proportional zur umzusetzenden Spannung ist, und auf diese Weise steigt die Ausgangsspannung des Integrators linear an, bis der vorbestimmte Referenzpegel erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die zweite Periode, in der der Vergleicher einen Schalter aktiviert, welcher einen konstanten Strom zusätzlich zu dem Ladestrom zum Eingang des Integrators während einer vorbestimmten Zeitspanne schaltet. Der dem Ladestrom überlagerte konstante Strom ist größer als der Ladestrom selbst und ist entgegengesetzt dem Ladestrom. Aufgrund der zwei Ströme wird der Kondensator in dem Integrator durch die Differenz der zwei entgegengesetzt gerichteten Ströme entladen. Wenn die Entladeperiode beendet ist, so schaltet der Schalter ab, und die Ladeperiode beginnt erneut.How the charge-controlled voltage-frequency converter works can also be divided into two periods. In the first period the The capacitor in the integrator is charged by a current proportional to the value to be converted Voltage, and in this way the output voltage of the integrator increases linearly until the predetermined reference level is reached. At this point begins the second period in which the comparator activates a switch which has a constant current in addition to the charging current to the input of the integrator during a predetermined period of time. The constant superimposed on the charging current Current is greater than the charging current itself and is opposite to the charging current. Due to the two currents, the capacitor in the integrator is due to the difference of the two oppositely directed currents. When the discharge period ends the switch switches off and the charging period begins again.

Der Linearitätsfehler von Spannungs-Fregtienzumsetzern wird bei jedem der kurz erläuterten Umsetzertypen durch ähnliche Effekte verursacht. Der Linearitätsfehler weist eine Hochfrequenzkomponente und eine Niederfrequenzkomponente auf. Der Hauptgrund für die Niederfrequenzkomponente bei dem Linearitätsfehler ist der begrenzte Verstärkungswert des Verstärkers im Integrator. Die Hochfrequenzkomponente des Linearitätsfehlers wird hauptsächlich durch die Verzögerung verursacht, die den verschiedenen Schaltvorgängen zugeordnet ist. Allgemein ist die Verzögerung des Vergleichers länger als die von den Schaltern verursachten Verzögerungen. Bei Umsetzern mit Entladeschaltern wird dieser Fehler noch durch den Fehler vergrößert, der durch die beschränkte Entladezeit verursacht wird.The linearity error of voltage-frequency converters becomes with every the briefly explained converter types caused by similar effects. The linearity error has a high frequency component and a low frequency component. The main reason for the low frequency component in the linearity error is the limited gain value of the amplifier in the integrator. The high frequency component of the linearity error will mainly caused by the delay that the various Switching operations is assigned. In general, the comparator delay is longer than the delays caused by the switches. For converters with discharge switches this error is exacerbated by the error caused by the limited discharge time caused.

Ein herkömmliches Verfahren zur Verkleinerung der Hochfrequenzkomponente des Linearitätsfehlers besteht in der Einfügung einer Phasenschieberstufe zwischen dem Ausgang des Integrators und dem Eingang des Komparators. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die Tatsache, daß die Phasenschieberstufe das Ausgangssignal des Integrators dämpft, und dies sollte kompensiert werden durch Verkleinerung der Zeitkonstante des Integrators oder des Referenzpegels des Komparators, wenn unveränderte Umsetzereigenschaften beibehalten werden sollen.A conventional method of reducing the high frequency component of the linearity error consists in the insertion of a phase shifter stage between the output of the integrator and the input of the comparator. One downside to this Method is the fact that the phase shifter stage the output of the Integrator attenuates, and this should be compensated for by reducing the time constant of the integrator or the reference level of the comparator if the converter properties have not changed should be retained.

Die Herabsetzung des Referenzpegels des Vergleichers bzw. Komparators ist nachteilhaft, weil dadurch der Fehler vergrößert wird, der durch die Nullpunkt- oder Abweichungs- bzw. Drifteigenschaften des Vergleichers verursacht wird.The lowering of the reference level of the comparator or comparator is disadvantageous because it increases the error caused by the zero point or deviation or drift properties of the comparator is caused.

Die Verkleinerung der Zeitkonstante des Integrators ist ebenfalls nicht vorzuziehen, weil dadurch die Niederfrequenzeigenschaften der Umsetzung beeinträchtigt werden. Neben diesem Effekt beeinflußt die Verkleinerung der Zeitkonstante auch die Hochfrequenzeigenschaften nachteilig, weil der Integrator mit höheren Signalpegeln betrieben werden sollte. Ein weiterer Nachteil einer solchen Kompensierung besteht in der Instabilität der elektrischen Werte der zwei Widerstände und des Kondensators, die die Kompensationsstufe bilden, über längere Zeit oder bei Temperaturänderung.The decrease in the time constant of the integrator is also not preferable because it affects the low frequency characteristics of the implementation will. Besides this effect, decreasing the time constant also affects the high frequency properties are disadvantageous because the integrator with higher signal levels should be operated. There is another disadvantage of such compensation in the instability of the electrical values of the two resistors and the capacitor, which form the compensation stage, over a longer period of time or when the temperature changes.

Diese Instabilität verschlechtert die Langzeiteigenschaften und die Temperaturstabilität des Umsetzers.This instability degrades the long-term properties and the Temperature stability of the converter.

Es wurden verschiedene Versuche durchgeführt, um den Betrieb von Spannungs-Frequenzumsetzern zu linearisieren, und als Ergebnis dieser Versuche wurde die Konsequenz gezogen, daß statt der Verwendung einer zusätzlichen Kompensationsstufe eine geeignete Modifizierung des Ausgangssignals des Integrators zur Linearisierung wirksamer sein kann.Various attempts have been made to operate voltage-to-frequency converters to linearize, and as a result these attempts became the consequence drawn that instead of using an additional compensation stage a suitable one Modifying the output signal of the integrator for linearization will be more effective can.

Aufgabe der Erfindung ist esj eine Schaltungsanordnung zur Verkleinerung des Frequenz fehlers von Spannungs-Frequenzumsetzern zu schaffen, durch die das Erfordernis wegfällt, zusätzliche Kompensationsstufen mit den ihnen anhaftenden Nachteilen zu verwenden.The object of the invention is a circuit arrangement for miniaturization of the frequency error of voltage-frequency converters through which the There is no need for additional compensation levels with those inherent in them Disadvantages to use.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein ohmscher Widerstand in Reihe mit dem Kondensator des Integrators geschaltet ist und einenWiderstandswert Ro =t t /C besitzt, worin at die Verzögerungszeit ist, die durch die Schaltvorgänge im Umsetzer verursacht werden, und C die Kapazität des Kondensators ist.This object is achieved by a circuit arrangement of the type described at the outset Type solved, which is characterized according to the invention in that an ohmic Resistor is connected in series with the capacitor of the integrator and has a resistance value Ro = t t / C, where at is the delay time caused by the switching processes in the converter, and C is the capacitance of the capacitor.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß eine Änderung der Ausgangsspannung des Integrators, der in Spannungs-Frequenzumsetzern verwendet wird, derart modifiziert wird, daß diese zeitliche Spannungsänderung im Gegensatz zum Spannungscharakter bei herkömmlichen Umsetzern nicht gekennzeichnet ist durch einen linearen Abschnitt, der am Nullpegel der Spannungsachse beginnt, sondern sie besitzt neben dem sich linear ändernden Abschnitt jeweils zwei steile Endabschnitte entsprechend den Anfangs- und Endmomenten jeder Arbeitsperiode, wobei die Länge dieser steilen Abschnitte proportional der umzusetzenden Spannung ist, und überraschenderweise kann durch diese Abwandlung der Linearitätsfehler des Umsetzers wirkungsvoll verkleinert werden.The invention is based on the discovery that a change in the output voltage of the integrator, which is used in voltage-frequency converters, modified in this way becomes that this temporal voltage change in contrast to the voltage character with conventional converters is not characterized by a linear section, which begins at the zero level of the voltage axis, but has it next to itself linearly changing section two steep end sections according to the initial and end moments of each working period, the length of these steep sections is proportional to the voltage to be converted, and surprisingly it can be through this modification of the linearity error of the converter can be effectively reduced.

Die Formulierung der Kompensationsbedingung in exakt mathematischer Form zur Bemessung der Werte der Kompensationselemente ist allgemein recht schwierig. Wenn jedoch die praktisch annehmbare Einschränkung gemacht wird, daß die durch das Symbol,5r ausgedrückte Verzögerungszeit unabhängig von der Frequenz ist und denselben Wert für das Ein- und Ausschalten besitzt, so kann der Wert der Kompensationselemente leicht ausgedrückt und bestimmt werden.The formulation of the compensation condition in an exact mathematical way Form for dimensioning the values of the compensation elements is generally quite difficult. However, if the practically acceptable limitation is made that the Symbol, 5r expressed delay time is independent of the frequency and the same Value for switching on and off, the value of the compensation elements easily expressed and determined.

Das Wesen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt also darin, daß ein ohmscher Widerstand in Reihe mit dem Kondensator des Integrators von der Kapazität C geschaltet wird. Der Wert des Widerstandes läßt sich folgendermaßen ausdrücken: Ro =?/c.The essence of the circuit arrangement according to the invention is therefore that an ohmic resistor in series with the capacitor of the integrator of the Capacitance C is switched. The value of the resistance can be as follows express: Ro =? / c.

In Kombination mit Spannungs-Frequenzumsetzern, bei denen Polaritätsschalter eingesetzt werden, kann eine Kompensierung durch eine Schaltungsanordnung erreicht werden, in der ein Kondensator parallel zu einem Widerstand mit einem ohmschen Widerstand R geschaltet wird, wobei dieser Widerstand an den Eingang des Integrators angekoppelt ist. Für eine optimale Kompensierung kann der Wert der Kapazität C des Kondensators folgendermaßen ausgedrückt werden: CO = t r/R-Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.In combination with voltage-frequency converters where polarity switches are used, a compensation can be achieved by a circuit arrangement in which a capacitor is parallel to a resistor with an ohmic resistance R is switched, this resistor being coupled to the input of the integrator is. For optimal compensation, the value of the capacitance C of the capacitor can be expressed as follows: CO = t r / R-Other features and usefulnesses of the invention emerge from the description of exemplary embodiments of the figures.

Von den Figuren zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die für irgend-.eine der vorstehend diskutierten Arten von Spannungsfrequenzumsetzern verwendet werden kann; Fig. 2 eine Zeitkurve der Ausgangsspannung des in Figur 1 gezeigten Umsetzers, gemessen innerhalb der Ladeperiode; Fig. 3 eine Zeitkurve der Ausgangsspannung innerhalb einer vollständigen Periode, wenn ein Umsetzer mit Polaritätsschalter verwendet wird; Fig. 4 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die bei Umsetzern mit Polaritätsschaltern eingesetzt werden kann; Fig. 5 eine Zeitkurve der Ausgangsspannung des in Figur 4 gezeigten Umsetzers innerhalb der Ladeperiode; und Fig. 6 eine andere Ausführungsform der in Figur 4 gezeigten Kompensationsschaltung.The figures show: FIG. 1 the circuit arrangement according to the invention, those for any of the types of voltage to frequency converters discussed above can be used; Fig. 2 is a time curve of the output voltage the converter shown in Figure 1, measured within the charging period; Fig. 3 a Time curve of the output voltage within a complete period if a converter used with polarity switch; Fig. 4 shows another embodiment of the invention Circuit arrangement that is used in converters with polarity switches can; FIG. 5 shows a time curve of the output voltage of the converter shown in FIG within the charging period; and FIG. 6 shows another embodiment of the one shown in FIG compensation circuit shown.

In Figur 1 ist ein Spannungs-Frequenzumsetzer von im wesentlichen herkömmlicher Ausbildung gezeigt, der jedoch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Integrator enthält.In Figure 1, a voltage-to-frequency converter is essentially conventional training shown, but one designed according to the invention Includes integrator.

Ein Strom i, der proportional zu der umzusetzenden Spannung ist, fließt zum Eingang einer Schalteinheit 13. Der Ausgang der Schalteinheit ist mit dem Eingang 3 eines Integrators verbunden.A current i, which is proportional to the voltage to be converted, flows to the input of a switching unit 13. The output of the switching unit is connected to the input 3 connected to an integrator.

Der Integrator weist einen zweiten, geerdeten Eingang 2 auf.The integrator has a second, grounded input 2.

Das aktive Element des Integrators ist ein Verstärker 1 mit einem Ausgang 4, der gleichzeitig der hagang des Integrators ist. Ein Reihenelement ist zwischen den Ausgang 4 und den Eingang 3 des Verstärkers 1 geschaltet und enthält einen Widerstand 6 und einen Kondensator 5. Der Ausgang 4 ist mit dem Signaleingang eines Vergleichers bzw. Komparators 10 verbunden. Der Komparator 10 besitzt zwei Referenzeingänge, die an entsprechende Referenzspannungsquellen angekoppelt sind, beispielsweise an Einstellpotentiometer 11, 12. Der Ausgang des Komparators 10 ist mit dem Steuereingang der Schalteinheit 13 verbunden.The active element of the integrator is an amplifier 1 with a Output 4, which is also the output of the integrator. A row element is connected between the output 4 and the input 3 of the amplifier 1 and contains a resistor 6 and a capacitor 5. The output 4 is connected to the signal input a comparator 10 connected. The comparator 10 has two Reference inputs that are coupled to corresponding reference voltage sources, for example at setting potentiometers 11, 12. The output of the comparator 10 is connected to the control input of the switching unit 13.

Die Arbeitsweise des herkömmlichen Spannungs-Frequenzumsetzers wurde bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert. Die Arbeitsweise der in Figur 1 gezeigten Schaltung entspricht im wesentlichen diesen bekannten Prinzipien, die Funktion des Integrators unterscheidet sich jedoch von derjenigen bei den herkömmlichen Integratoren, und folglich betrifft die folgende Erläuterung hauptsächlich die Auslegung und die Arbeitsweise dieses Integrators.The operation of the conventional voltage-frequency converter has been already explained in the introduction to the description. the Way of working the circuit shown in Figure 1 essentially corresponds to these known principles, however, the function of the integrator differs from that of the conventional ones Integrators, and hence the following discussion is primarily of design and how this integrator works.

Die Ausgangsspannung des Integrators ist in Figur 2 dargestellt, wo die gestrichelte Kurve dem Nullwiderstandswert des Widerstands 6 entspricht. Die Steilheit der linear ansteigenden Spannung kann ausgedrückt werden als: i/C. Aufgrund der Verzögerung, die durch die Schaltvorgänge verursacht wird, steigt die Spannung über den vorbestimmten Vergleichspegel an, der am Punkt B gezeigt ist, und folglich ist die Dauer der Ladeperiode größer als der ursprünglich beabsichtigte Wert C. Die tatsächliche Ladezeit ist T + t9, und der Umkehrpunkt des Signals wird verzögert.The output voltage of the integrator is shown in Figure 2, where the dashed curve corresponds to the zero resistance value of the resistor 6. the The steepness of the linearly increasing voltage can be expressed as: i / C. Because of the delay caused by the switching operations, the voltage increases above the predetermined comparison level shown at point B, and hence the duration of the charging period is longer than the originally intended value C. The actual charging time is T + t9, and the turning point of the signal is delayed.

Diese Verzögerung ßr verlängert die volle Periodenzeit unabhängig von der tatsächlichen Frequenz, und folglich ist das Ausgangsfrequenzsignal, welches das Ergebnis der Umsetzung ist, niedriger als erwartet. Dies bedeutet, daß die Frequenz nicht linear den Änderungen des Eingangsspannungssignals folgt.This delay ßr extends the full period time independently from the actual frequency, and hence the output frequency signal is which the result of the implementation is lower than expected. This means that the frequency does not follow the changes in the input voltage signal linearly.

Wenn der Wert des in Reihe mit dem Kondensator 5 geschalteten Widerstands 6 größer als 0 ist, so wird ein Spannungs sprung der Ausgangsspannung im Schaltmoment mit einem Wert i.Ro überlagert, worin Ro den Wert des Widerstands 6 bezeichnet. Die Kurve der Ausgangsspannung ist eine zu der in Figur 2 gezeigten gestrichelten Linie parallele Linie, die mit durchgehendem Strich eingezeichnet ist. Diese Kurve erreicht den Vergleichspegel am Punkt A, der früher liegt als Punkt B. Aufgrund der Verzögerung, die durch den Schaltvorgang verursacht wird, erfolgt die Signaländerung etwas später am Punkt D. Um den Umkehrpunkt D zu dem Zeitpunkt des Endes T der Ladeperiode zu überführen, müßte der Wert Ro des Widerstandes 6 richtig eingestellt werden. Die Bedingung für diese korrekte Kompensierung lautet -C =n.When the value of the resistor connected in series with capacitor 5 6 is greater than 0, there is a voltage jump in the output voltage at the moment of switching superimposed with a value i.Ro, where Ro denotes the value of the resistor 6. The output voltage curve is a broken line to that shown in FIG Line parallel line, which is drawn in with a continuous line. This curve reaches the comparison level at point A, which is earlier than point B. Due The signal change takes place after the delay caused by the switching process a little later at point D. Around the reversal point D at the time of the end T of the charging period to transfer, the value Ro of the resistor 6 would have to be set correctly. The condition for this correct compensation is -C = n.

Offensichtlich ist dieser Wert unabhängig vom Wert des Eingangsstromes i.Obviously this value is independent of the value of the input current i.

In Figur 3 ist die Ausgangsspannung eines Integrators gezeigt, der bei einem Umsetzer mit Polaritätsschalter verwendet wird, wobei diese Spannung für eine vollständige Periode aufgezeichnet ist. Das Symbol T bzeichnet die vollständige Periode (d.h. die p Summe aus Lade- und Entladeperiode), c bezeichnet den Wert des Ladestromes und i bezeichnet den Wert des Entladestromes. Kurz D vor Beginn der Ladeperiode (Teil I in Figur 3) fällt der Entladestrom auf Null ab. Dieser Punkt entspricht dem Schnittpunkt mit den Koordinaten am Punkte E. Die Spannung am Punkt E entspricht dem unteren Vergleichpegel des Vergleichers 10. Zum Zeitpunkt entsprechend dem Punkt E schaltet der Polaritätsschalter 13 den Ladestrom 1c an den Eingang 3 des Integrators.In Figure 3, the output voltage of an integrator is shown, the is used in a converter with polarity switch, this voltage for a full period is recorded. The symbol T indicates the complete Period (i.e. the p sum of the charging and discharging periods), c denotes the value of the Charging current and i denotes the value of the discharging current. Shortly D before the start of the Charging period (part I in Figure 3), the discharge current drops to zero. This point corresponds to the intersection with the coordinates at point E. The voltage at the point E corresponds to the lower comparison level of the comparator 10. Correspondingly at the point in time At point E, polarity switch 13 switches charging current 1c to input 3 of the integrator.

Ansprechend auf den Beginn dieses Ladestromes erscheint ein Spannungssprung i R am Ausgang des Integrators, und von nun c 0 an beginnt die Ausgangs spannung des Integrators mit einer Steilheit c /c anzusteigen, bis sie zum Zeitpunkt T /2 den Punkt D p erreicht. In diesem Moment ist die Ladeperiode beendet, und der J-~estrom geht plötzlich auf Null. Im Ansprechen auf das Verinden des Ladestromes erscheint ein entgegengesetzt gerichteter iungsprung am Ausgang des Integrators, welcher denselben absoluten Wert aufweist wie der vorhergehende Spannungsprung.A voltage jump appears in response to the start of this charging current i R at the output of the integrator, and from now on c 0 the output voltage begins of the integrator to rise with a slope c / c until it reaches time T / 2 reaches the point D p. At this moment the charging period is over, and the j-current suddenly goes to zero. In response to connecting the charging current, appears an oppositely directed jump at the output of the integrator, which is the same has an absolute value like the previous voltage jump.

Am Ende dieses Spannungsprunges fällt die Ausgangs spannung des Integrators am Punkt F auf den oberen Vergleichspegel zurück.At the end of this voltage jump, the output voltage of the integrator falls at point F back to the upper comparison level.

Die Entladeperiode beginnt also im Moment T /2, wenn der Entp ladestrom an den Eingang 3 des Integrators angekoppelt wird.The discharge period begins at the moment T / 2, when the discharge current is coupled to input 3 of the integrator.

Wenn der Polaritätsschalter 13 den Entladestrom zum Eingang 3 schaltet, so springt die Ausgangsspannung des Integrators plötzlich vom oberen Vergleichspegel um den Wert ;D Ro nach unten. Von nun an fällt die Spannung weiterhin mit der Steilheit iD/C ab, bis zu dem Zeitpunkt T . In diesem Moment wird der p Entladestrom unterbrochen, und die Ausgangsspannung des Integrators springt nach oben und erreicht erneut den unteren Vergleichspegel, und eine weitere Ladeperiode beginnt.If the polarity switch 13 switches the discharge current to input 3, the output voltage of the integrator suddenly jumps from the upper comparison level around the value; D Ro down. From now on the tension continues to decrease with the steepness iD / C from, up to the point in time T. At this moment the p discharge current is interrupted, and the output voltage of the integrator jumps up and reaches the again lower comparison level, and another charging period begins.

Zur korrekten Einstellung des Wertes Rg des Widerstands 6 kann die VerzögerungAZ' durch geeignete Messungen bestimmt werden, beispielsweise durch Verwendung eines Zweistrahloszilloskops. Ein möglicher Weg dieser Messung besteht darin, den Signaleingang desKarparators 10 vom Augang 4 des Integrators abzutrennen und ein Rechtecksignal an den Eingang des Komparators derart anzukoppeln, daß die ansteigenden und abfallenden Flanken des Rechtecksignals durch den oberen und unteren Vergleichspegel laufen. Nun wird ein Eingangsspannungssignal an den Signaleingang des Spannungs-Frequenzumsetzers mit einem Wert angekoppelt, der in Übereinstimmung mit der Frequenz des Rechtecksignals und mit dem Umsetzfaktor des Umsetzers bestimmt wird. Als Funktion dieses Eingangsspannungssignals erscheint ein Dreiecksspannungssignal am Ausgang 4 des Integrators. Das Rechtecksignal wird an den ersten Eingang und das Dreieckssignal an den zweiten Eingang des Zweistrahloszilloskops angekoppelt, und die Zeitdifferenz der beiden auf dem Schirm des Oszilloskops erscheinenden Signale besitzt den Wert der Verzögerung A t' . Wenn die Flanken des Rechtecksignals mit den Spitzen des Dreiecksignals zusammenfallen, d.h.For the correct setting of the value Rg of the resistor 6, the Delay AZ 'can be determined by suitable measurements, for example by using a dual beam oscilloscope. One possible way of measuring this is to use the Separate the signal input of the Karparator 10 from the output 4 of the integrator and a To couple the square-wave signal to the input of the comparator in such a way that the rising and falling edges of the square wave signal by the upper and lower comparison level to run. An input voltage signal is now sent to the signal input of the voltage-frequency converter coupled to a value in accordance with the frequency of the square wave signal and is determined with the conversion factor of the converter. As a function of this input voltage signal a triangular voltage signal appears at output 4 of the integrator. The square wave is sent to the first input and the triangular signal to the second input of the dual beam oscilloscope coupled, and the time difference between the two appearing on the oscilloscope screen Signals has the value of the delay A t '. When the edges of the square wave coincide with the peaks of the triangle signal, i.e.

wenn sich die Flanken gerade oberhalb der spitzen Punkte befinden, so bedeutet dies, daß die Verzögerung # t' = 0 ist, und wenn der Spitzenpunkt bezüglich dieser Flanken verschoben ist, so ist die Verschiebung gleich der Verzögerung ar.when the flanks are just above the pointed points, so it means that the delay # t '= 0 and if the peak point is relative to this edge is shifted, the shift is equal to the delay ar.

Wenn die Verzögerungseigenschaften der in dem Umsetzer verwendeten Einheiten in Katalogen angegeben sind, so kann natürlich die resultierende Verzögerung d t auch berechnet werden. Die Kapazität C des Kondensators 5 sollte bei der Auslegung des Umsetzers bestimmt werden Wenn die Werte von =r;l =300 ns und C = 100 pF, so % C = 300 /C = 300 9/100 .10-12 io 22 = 3 KOhm.If the delay characteristics are those used in the converter Units are specified in catalogs, so can of course the resulting delay d t can also be calculated. The capacitance C of the capacitor 5 should be used in the design of the converter can be determined If the values of = r; l = 300 ns and C = 100 pF, so % C = 300 / C = 300 9/100 .10-12 io 22 = 3 KOhm.

Bei einer Verzögerung von 300 ns beträgt der Linearitätsfehler des Umsetzers etwa 1 % ohne Kompensation innerhalb des Frequenzbereichs von 0 bis 10 kHz. Dieser Fehler kann durch Einsatz des Kompensationswiderstandes mit dem vorstehend berechneten Wert auf etwa 1/10 dieses Wertes, d.h. 0,1 %, verkleinert werden.With a delay of 300 ns, the linearity error is the Converter approx. 1% without compensation within the frequency range from 0 to 10 kHz. This error can be avoided by using the compensation resistor with the above calculated value can be reduced to about 1/10 of this value, i.e. 0.1%.

Bei den vorstehenden Betrachtungen wurde angenommen, daß die Verzögerung # aufgrund der Schaltzeiten der Schaltungseinheiten unabhängig von der Betriebsfrequenz ist und für Ein-und Ausschaltvorgänge identisch ist. Da diese Angabe nur eine gute Näherung ist, ist die nach dem vorstehend erläuterten Wege bestimmte Kompensation nicht immer vollkommen korrekt, und der Linearitätsfehler kann ferner durch Feinabstimmung des Widerstands R0 verkleinert werden. Daher ist es vorteilhaft, einen einstellbaren Widerstand als Widerstand 6, beispielsweise ein Potentiometer, zu benutzen. Die Abstimmung kann durchgeführt werden, indem das Potentiometer zuerst auf den Widerstandswert Rg eingestellt wird, der in der vorstehend erläuterten Weise bestimmt wurde. Dann wird die Linearität des Umsetzers überprüft. Wenn eine Nichtlinearität gemessen wird, so wird der Widerstand des Potentiometers in der Richtung verstellt, die dem Charakter. der Nichtlinearität entspricht, und anschließend an die Einstellung wird die Linearität erneut gemessen. Dieser Vorgang wird verschiedene Male wiederholt bis der Fehler vernachlässigbar klein ist oder nicht weiter verkleinert werden kann. Durch Verwendung einer Feineinstellung des Kompensationswiderstandes 6 konnte die Linearität des Umsetzers bei dem vorstehend genannten Beispiel weiter von 0,1 z auf 0,05 bis 0,01 z verkleinert werden.In the above considerations it was assumed that the delay # independent of the operating frequency due to the switching times of the switching units and is identical for switching on and off. Since this is only a good one Is approximation, is the compensation determined according to the ways explained above not always perfectly correct, and the linearity error can also be fine-tuned of the resistance R0 can be reduced. It is therefore advantageous to have an adjustable Resistance to use as resistor 6, for example a potentiometer. the Tuning can be done by turning the potentiometer on the resistance value first Rg is set, which was determined in the above-mentioned manner. then the linearity of the converter is checked. When a non-linearity is measured the resistance of the potentiometer is adjusted in the direction that the Character. corresponds to the non-linearity, and then follows the adjustment the linearity measured again. This process is repeated several times until the error is negligibly small or cannot be reduced any further. By using a fine adjustment of the compensation resistor 6, the Linearity of the converter in the above example further from 0.1 z can be reduced to 0.05 to 0.01 z.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der Figuren 4 bis 6 beschrieben. Der in Figur 4 gezeigte Integrator wird in einem Umsetzer mit Polaritätsschalter verwendet.Another embodiment of the invention will now be based on the figures 4 to 6 described. The integrator shown in Figure 4 is in a converter with Polarity switch used.

Der Eingang 3 des Integrators ist über einen Eingangswiderstand an den Sngang des:Verstärkers 1 angekoppelt. Ein Kondensator 8 mit ne Kapazität C ist parallel zum Widerstand 7 gescha-Itet Die Ausgangs spannung des in Figur 4 gezeigten Integrators ist in Figur 5 für eine Ladeperiode aufgetragen. Die gestrichelt gezeichnete Linie zeigt eine herkömmliche Schaltung, bei der ein Kompensationskondensator 8 nicht benutzt wird, während die mit durchgehendem Strich gezeichnete Linie die Ausgangs spannung des in Figur 4 gezeigten Integrators wiedergibt. Wie aus der Analogie zwischen Figur 2 und Figur 5 zu sehen ist, ist das Linearisierungsprinzip dasselbe, der einzige Unterschied ist die Änderung der Kompensationsbedingung, weil die Steilheit der linear ansteigenden Kurvenabschnitte nun U/R.C ist, worin U die Eingangsspannung am Eingang 3 bezeichnet.The input 3 of the integrator is on via an input resistor the output of: amplifier 1 coupled. A capacitor 8 with a capacitance C is parallel to resistor 7 The output voltage of the The integrator shown in FIG. 4 is plotted in FIG. 5 for a charging period. The dashed line shows a conventional circuit in which a Compensation capacitor 8 is not used, while the one with a solid line The drawn line represents the output voltage of the integrator shown in FIG. As can be seen from the analogy between FIG. 2 and FIG. 5, the linearization principle is the same, the only difference is the change in the compensation condition because the steepness of the linearly increasing curve sections is now U / R.C, where U is the Input voltage at input 3.

Die Kompensationsbedingung ist R-C = ß g.The compensation condition is R-C = ß g.

Hieraus folgt, daß der Kompensationskondensator 8 so eingestellt werden sollte, daß er die Kapazität Co =A'%'£/R besitzt. Wenn die Verzögerungszeit wiederum 300 ns beträgt und der Wert R des Widerstandes 7 gleich 10 KOhm gewählt wird, so CO = (R = 300-10 9) 10-1Q3 = 30 pF.It follows that the compensation capacitor 8 can be adjusted should that it has the capacity Co = A '%' £ / R. When the delay time turn 300 ns and the value R of the resistor 7 is chosen equal to 10 KOhm, so CO = (R = 300-10 9) 10-1Q3 = 30 pF.

Durch Einsatz eines Kondensators 8 mit dieser Kapazität fällt der Linearitätsfehler von 1 % auf etwa 0,1 % ab. Ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann der Fehler weiter bis auf etwa 0,01 bis 0,05g0verkleinert werden durch Abstimmung der Kapazität des Kondensators 8, der nun ein Trimmerkondensator oder dgl. sein soll. Die einstellbare Ausführung des Kondensators 8 kann vermieden werden, wenn die in Figur 6 gezeigte Schaltung benutzt wird, wo der- Widerstand 7 einstellbar ist und der Kompensationskondensator 8 zwischen ein Ende und den Abgriffspunkt dieses Widerstandes geschaltet wird.By using a capacitor 8 with this capacity, the falls Linearity error from 1% to about 0.1%. Similar to the first embodiment the error can be reduced further down to about 0.01 to 0.05g0 by voting the capacitance of the capacitor 8, which is now a trimmer capacitor or the like. Be target. The adjustable design of the capacitor 8 can be avoided if the circuit shown in Figure 6 is used, where the resistor 7 is adjustable is and the Compensation capacitor 8 between one end and the Tap point of this resistor is switched.

Bei den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es klar ersichtlich, daß die Nichtlinearität aufgrund der Zeitverzögerung, die von den Schaltvorgängen verursacht wird, derart kompensiert wird, daß der linear ansteigende Abschnitt der Ausgangsspannung des Integrators um eine Zeit nach links verschoben wurde, die gleich der Größe der Verzögerung br ist, und diese Verschiebung ist unabhängig von dem tatsächlichen Wert des Eingangs stromes bzw. des Spannungssignals.In the two exemplary embodiments described, it is clearly evident that the non-linearity is due to the time delay caused by the switching operations is compensated so that the linearly increasing portion of the Output voltage of the integrator was shifted to the left by a time which is the same the magnitude of the delay is br, and this shift is independent of that actual value of the input current or the voltage signal.

Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß der Abstand zwischen den Punkten A und B bei jeglichem Wert des Eingangsstromes konstant ist, der Abstand zwischen den Punkten B und D ändert sich jedoch proportional zum Eingangssignal (Strom i). Ein Kompensationseffekt wird erzielt, wenn der Spannungsabstand zwischen den Punkten B und D gleich dem Spannungssprung ist, der zum Zeitpunkt t = 0 auftritt. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß diese beiden Abstände, d.h. der zwischen den Punkten B und D und die Sprunghöhe, proportional dem Eingangssignal sind, gibt es eine richtige Einstellung der Schaltungselemente, durch die diese Bedingung erfüllt wird, d.h. diese beiden Abschnitte gleich sind.From Figure 2 it can be seen that the distance between the points A and B is constant at any value of the input current, the distance between however, points B and D changes proportionally to the input signal (current i). A compensation effect is achieved when the voltage spacing between the points B and D is equal to the voltage jump that occurs at time t = 0. Under Taking into account the fact that these two distances, i.e. the one between the Points B and D and the jump height, proportional to the input signal, are there a correct setting of the circuit elements by which this condition is met i.e. these two sections are the same.

Diese Bedingung kann auf die einfachste Weise durch die oben erläuterte Dimensionierung der Schaltungselemente erfüllt werden.This condition can be explained in the simplest way by the above Dimensioning of the circuit elements are met.

Das Wesen der Erfindung, d.h. die frequenzunabhängige Kompensation, kann durch andere Schaltungsanordnungen als die vorstehend beschriebenen erreicht werden! wobei solche Schaltungsanordnungen jedoch im Wirkungsprinzip äquivalent mit den gezeigten Schaltungen sind.The essence of the invention, i.e. the frequency-independent compensation, can be achieved by circuit arrangements other than those described above will! however, such circuit arrangements are equivalent in their principle of operation with the circuits shown.

Die Erfindung bietet verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Kompensationslösungen. Der Linearitätsfehler des Spannungs-Frequenzumsetzers kann durch Verwendung eines einzigen Kompensationselementes beträchtlich verkleinert werden. Bei einem mit einem derartigen Kompensationselement ausgerüsteten Umsetzer besteht kein Bedürfnis für eine getrennte Linearisierungsstufe, welche verschiedene zusätzliche Nachteile verursachen könnte. Durch die einfache Auslegung der erfindungsgemäßen Kompensationslösung werden die Langzeitstabilität und die Temperaturabhängigkeit des Umsetzers nicht merkbar beeinflußt.The invention offers several advantages over conventional ones Compensation solutions. The linearity error of the voltage-frequency converter can considerably reduced in size by using a single compensation element will. One with one of these Equipped with compensation element Converter there is no need for a separate linearization stage, which could cause various additional disadvantages. Due to the simple design the compensation solution according to the invention, the long-term stability and the Temperature dependence of the converter not noticeably influenced.

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß durch die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Verkleinerung des Linearitätsfehlers bei Spannungs-Frequenzumsetzern geschaffen wird, in denen ein Kompensationselement an den Integrator des Umsetzers angekoppelt wird, welches die sich linear ändernde Ausgangsspannung des Integrators um eine Zeit verschiebt, die der frequenzunabhängigen Verzögerung entspricht, welche durch die Schaltvorgänge in dem Umsetzer verursacht werden.In summary, it should be noted that the invention is a Circuit arrangement for reducing the linearity error in voltage-frequency converters is created in which a compensation element to the integrator of the converter is coupled, which is the linearly changing output voltage of the integrator shifts by a time corresponding to the frequency-independent delay which caused by the switching processes in the converter.

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Claims

Circuit arrangement for reducing the linearity error of voltage-frequency converters with a switching unit, an integrator, which consists of consists of an amplifier and a capacitor connected in parallel to the amplifier, and with a comparator, characterized in that an ohmic resistor (6) is connected in series with the capacitor (5) of the integrator and has a resistance value Ro = a iJ / c, where ß is the delay time caused by the switching processes in the converter, and C is the capacitance of the capacitor (5).

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the ohmic resistor (6) is an adjustable resistor.

3. Circuit arrangement for reducing the linearity error of Voltage-to-frequency converters of the type where polarity switches are used with a switching unit, an integrator consisting of an amplifier and a parallel to the amplifier connected capacitor, and with one in series with the Input of the integrator connected ohmic resistor and one to the output the integrator coupled comparator, characterized in that a capacitor (8) is connected in parallel to the input resistor (7) of the integrator and one Capacitance Co = r / R, where R is the resistance of the input resistor (7) and r is the delay time caused by the switching operations in the converter.

4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the compensation capacitor (8) is an adjustable capacitor.

5. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the input resistor (7) an adjustable resistor and the compensation capacitor (8) connected between an end connection and a tap point of the resistor (7) is.