DE2838489A1

DE2838489A1 - Frequenz/spannungs-umsetzer

Info

Publication number: DE2838489A1
Application number: DE19782838489
Authority: DE
Inventors: Isao Fukushima; Syunji Iwasaki; Harushige Nakagaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-09-09
Filing date: 1978-09-04
Publication date: 1979-03-22
Also published as: GB2004145A; JPS5445178A; JPS5643510B2; DE2838489C2; CA1107354A; US4214299A

Description

-H-

HITACHI₃ LTD.

5-1j 1-chome, Marunouchi,

Chiyoda-ku

Tokyo (JAPAN)

Frequenz/Spannungs-Umsetzer

Die Erfindung betrifft einen Prequenz/Spannungs-Umsetzer, der für ein Drehzahlregel-Servosystem eines Gleichstrommotors geeignet ist, das bei Tonfrequenzgeräten wie einem Plattenspieler oder einem Bandgerät verwendet wird.

Bisher wurden Motore für Tonfrequenzgeräte verwendet, die verhältnismäßig niedrige Drehzahl besitzen, sowie geringe Schwingungen und geringes Rauschen aufweisen. Derartige sogenannte Direktsteuer-Motoren sind bekannt (vgl. US-PS 4 093 897, DE-OS 2 647 675, britische Patentanmeldung 43 765/76). Die Verwendung eines derartigen Niederdrehzahl-Motors erschx^ert es jedoch, einerseits eine konstante .Drehzahüjaufrechtzuerhalten und andererseits unregelmäßige Drehungen zu verhindern. Im allgemeinen wird dazu ein Drehzahlregelsystem mit einem Servosystem benötigt.

Bei einem derartigen Servosystem wird die Drehzahl des Gleichstrommotors in ein Sinuswellensignal umgesetzt, das proportional der Drehzahl ist, wobei das Sinuswellensignal

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einer Differenzierschaltung und dann einem Frequenz/Spannungs-Umsetzer zugeführt wird, wodurch eine Gleichspannung proportional der Drehzahl des Gleichstrommmotors erzeugt wird, wobei diese Gleichspannung einem Vergleicherverstärker zugeführt wird, injiem sie mit einer Bezugs spannung verglichen wird, die von einer Bezugsspannungsquelle zugeführt ist. Das Ausgangssignal des Vergleichers wird einem Impulsgenerator zugeführt, der abhängig von der Drehung des Motors betrieben ist. Entweder wird der sich ergebende Impulsstrom gesteuert oder geregelt oder einer^Ansteuerschaltung zugeführt, die durch den Impulsgenerator angesteuert ist, um so die Ansteuerschaltung zu steuern oder zu regeln derart, daß die Ansteuerschaltung zum Schalten eines Schalttransistors verwendet wird und dem Rotormagneten des schaltenden Motors zugeführt wird, um so die Drehzahl auf einen festen Pegel zu steuern bzw. zu regeln.

Die Erfindung bezieht sich unter diesen Bauelementen auf den Frequenz/Spannungs-Umsetzer. Bei herkömmlichen Frequenz/Spannungs-Umsetzern dieser Art wird das von der Differenzierschaltung differenzierte Impulssignal einem monostabilen Multivibrator zugeführt, der angesteuert (getriggert) wird, wobei das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators über ein Tiefpaßfilter geführt wird und in eine Gleichspannung umgesetzt wird. Der monostabile Multivibrator kann durch einen Schalttransistor und einen Kondensator ersetzt sein. Bei derartig herkömmlich ausgebildeten Frequenz/Spannungs-Umsetzern ist das Tiefpaßfilter unentbehrlich. Wegen der unvermeidbaren langen Phasenverzögerung, die durch das Tiefpaßfilter hervorgerufen wird, ist jedoch eine Phasenkompensationsschaltung in der dem Tiefpaßfilter folgenden Stufe erforderlich, um einen stabilen

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Betrieb des Servosystems sicherzustellen, was nachteilig einen komplizierten Aufbau zur Folge hat. Falls darüber hinaus ein Brummen oder eine Welligkeit in der Steuerspannung unterdrückt oder ungelöscht verbleibt, wobei die Steuerspannung das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters ist, ändert diese Brummkomponente das Motor-Drehmoment £_, wodurch sich unregelmäßige Drehungen ergeben. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters muß deshalb ausreichend niedrig gemacht werden, was jedoch zur Folge hat₃ daß die Phasenverzögerung weiter erhöht wird und daß dadurch die übergangs-Ansprechcharakteristik des Servosystems gestört oder verschlechtert wird, wodurch wiederum größere Drehungs-Unregelmäßigkeiten verursacht werden« Bei einem herkömmlichen Frequenz/Spannungs-Ünisetzer ist folglich ein Kompromiß erforderlich zwischen diesen beiden einander entgegenwirkenden Faktoren.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung_s einen Frequenz/Spannungs-Umsetzer anzugeben,, der ohne Tiefpaßfilter verwendbar ist ο

Um diese Aufgabe zu lösen_s werden gemäß der Erfindung zwei Arten von Impulsfolgen verwendet _s deren erste Impulsfolge eine Impuls-Wiederiiolfrequenz proportional der Frequenz des Eingangssignals besitzt und deren zweite Impulsfolge eine Impuls-Wieäerholfrequenz besitzt, die durch Verschieben der Zeitsteuerphasen der Impulse der evnteren Impulsfolge erhalten ist. Die erstere Impulsfolge wird zum Ansteuern eines Sägezahngenerators verwendet_s wodurch eine sägezahnförmige Spannung erzeugt wird, die einer Abtastspeicher-Schaltung (sample —and-hold) zugeführt wird,, . während die letztere Impulsfolge zum Ansteuern der Abtastspeicher-Schaltung verwendet wird zum Abtasten und zum Halten oder Speichern der Sägezahnspannung, um so eine Gleichspannung zu erzeugen.

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Bei dem Frequenz/Spannungs-Umsetzer gemäß der Erfindung ist keinerlei Tiefpaßfilter erforderlich, um eine Steuergleichspannung aus der Sägezahnspannung zu erzeugen, weshalb weder irgendeine Phasenverzögerung noch irgendeine Störung bei der übergangs-Ansprechcharakteristik auftritt. Folglich kann einerseits der Brumm von der Steuerspannung entfernt werden, um eine bessere Motorcharakteristik oder -kennlinie zu erreichen und ist andererseits keine Phasenkompensation erforderlich, wodurch der Aufbau vereinfacht ist.

Die Erfindung erreicht also einen Frequenz/Spannungs-Umsetzer mit hervorragender übergangs-Ansprechcharakteristik, wobei die Brummkomponente der Steuerspannung ausreichend gedämpft ist.

Die Erfindung gibt also einen Frequenz/Spannungs-Umsetzer an, bei dem eine erste Impulsfolge eine Impulswiederholfrequenz proportional der Frequenz eines Eingangssignals besitzt. Eine zweite Impulsfolge besitzt eine Impuls-Wiederholfrequenz, die durch Verschieben der Zeitansteuerphasen der Impulse der ersten Impulsfolge erhalten ist. Eine der Impulsfolgen wird zum Ansteuern eines Sägezahngenerators verwendet, um eine Sägezahnspannung zu erzeugen, die einer Abtastspeicher-Schaltung zugeführt wird, die ihrerseits durch die andere Impulsfolge so angesteuert wird, daß die Sägezahnspannung abgetastet und gehalten bzw. gespeichert wird, um so eine Gleichspannung zu erzeugen.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher, erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 teilweise als Blockschaltbild die Schaltung eines Servosystems für eine Motordrehzahlsteuerung einschließlich eines erfindungsgemäßen Frequenz/ Spannungs-Umsetzers;

Fig. 2 Signalverläufe zur Erläuterung des Betriebs des Servosystems gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Gleichstromversorgung 1, eine Statorwicklung 2 eines Gleichstrommotors, einen Rotormagneten 3_S einen Schalttransistor k_f einen Impulsgenerator 5, eine Motoransteuerschaltung 6, eine Drehzahl-Detektorwicklung 7j einen Begrenzerverstärker 8, eine Differenzierschaltung 9, einen Frequenz/Spannungs-Umsetzer 10, einen Vergleicherverstärker 11, einen BezugsSpannungsquelle 12 sowie Anschlüsse 18, 19, 20, 21 und 22.

Wenn ein (Haupt)sahalter des Motors geschlossen wird, wird der Impulsgenerator 5 betätigt derart, daß vorgegebene Impulse erzeugt werden, und wird der Transistor 4 über die Ansteuerschaltung 6 geschaltet. Auf diese Weise fließt ein intermittierender Strom in den Statorwicklungen des Motors von der Gleichstromversorgung 1 und wird ein Drehmoment zwischen der Statorwicklung 2 und dem Rotormagneten 3 erzeugt, um den Rotormagneten 3 zu drehen.

Bei Drehung des Rotormagneten 3 wird eine Wechselspannung über der Detektorwicklung 7 erzeugt. Diese Spannung wird über den Anschluß 18 dem Begrenzerverstärker 8 zugeführt, in dem sie in eine Rechteckspannung mit vorgegebener Amplitude umgesetzt wird. Diese Rechteckspannung wird über den Anschluß 19 der Differenzierschaltung 9 zugeführt, in der

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sie in Impulse umgesetzt wird. Die Differenzierschaltung enthält zwei Differenzierkreise 14, 15 und eine Verzögerungsschaltung 13. ^Der Differenzierkreis 15 ist zwischen den Anschlüssen 19 und 21 angeschlossen, während die Verzögerungsschaltung 13 und der Differenzierkreis 14 reihengeschaltet zwischen den Anschlüssen 19 und 20 angeschlossen sind. Polglich ist die Differenzierschaltung so ausgebildet, daß sie an den beiden Anschlüssen 20 und eine erste bzw. eine zweite Impulsfolge erzeugt bzw. abgibt.

Der Frequenz/Spannungs-Umsetzer 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird durch diese beiden Impulsfolgen angesteuert, um so eine Gleichspannung am Anschluß 22 zu erzeugen bzw. abzugeben. Diese Ausgangsspannung wird vom Anschluß 22 dem Vergleicherverstärker zugeführt, inüem sie mit der von der Bezugs Spannungsquelle zugeführten Bezugs^spannung verglichen wird. Das Ausgangssignal des Vergleicherverstärkers 11 wird der Ansteuerschaltung 6 zugeführt, um so die Amplitude der vom Impulsgenerator 5 dem Transistor 4 zugeführten Steuerimpulse zu steuern. Auf diese Weise arbeitet das Servosystem derart, daß abhängig von der Drehzahl des Motors die Amplitude der dem Transistor 4 zugeführten Steuerimpulse geändert werden, um so eine konstante Drehzahl des Motors aufrechtzuerhalten.

Der Frequenz/Spannungs-Umsetzer 10 gpmäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält Widerstände 25, 26, 27, Kondensatoren 24, 32 und Transistoren 23, 28, 29, 30, 31. Der Transistor 23 ist basisseitig mit dem Anschluß 20, emitterseitig mit Erde oder Masse und

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kollektorseitig über den Widerstand 25 mit einer Stromversorgung +B verbunden. Der Kondensator 2k ist zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 23 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 23 ist auch über den Widerstand 26 mit der Basis des Transistors 30 verbunden, wobei der Transistor 30 kollektorseitig mit der Stromversorgung +B verbunden ist und emitterseitig einerseits mit dem Anschluß 22 und andererseits über den Kondensator 32 mit Masse oder Erde verbunden ist. Die Basis des Transistors ist mit dem Kollektor des Transistors . 29 verbunden und der Transistor 29 ist bassisseitig mit dem Kollektor des Transistors 28 verbunden sowie auch mit der Stromversorgung +B über den Widerstand 27, wobei der Transistor 28 basisseitig mit dem Anschluß 21 verbunden ist und wobei die Emitter der Transistoren 28, 29 im wesentlichen an Masse liegen. Der Transistor 30 ist emitterseitig mit dem Kollektor des Transistors 31 verbunden, der basisseitig mit dem Anschluß 21 verbunden ist und der emitterseitig an Masse oder Erde liegt.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung wird mit Bezug auf die Signal^ verlaufe gemäß Fig. 2 näher erläutert.

Die von der Detektorwicklung 7 des Motors erzeugte Spannung besitzt einen sinusförmigen Signalverlauf, wie den Signalverlauf a in Fig. 2. Diese Sinusspannung a wird dem Begrenzerverstärker 8 zugeführt, inldem sie in eine Rechteckspannung b umgesetzt wird gemäß Fig.2b. Ein Teil der Rechteckspannung b wird durch den Differenzierkreis 15 differenziert, wodurch eine Impulsfolge e dem Anschluß 21 zugeführt wird, gemäß Fig.2e. Der verbleibende Teil der Rechteckspannung b wird der Verζögerungsschaltung

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zugeführt, in der sie in eine um die Zeit A T verzögerte Rechteckspannung umgesetzt wird in Bezug auf die AnstiegYlanke der Impulse, wie in Fig.2c dargestellt. Davon abhängig wird eine Impulsfolge d gemäß Fig. 2d dem Anschluß 20 von dem Differenzierkreis 14 zugeführt. Auf diese Weise erzeugt die Differenzierschaltung 9 eine erste Impulsfolge d und eine zweite Impulsfolge e am Anschluß 20 bzw. 21. Erste und zweite Impulsfolge d, e stehen so in Beziehung zueinander, daß, wie sich aus Fig. 2 ergibt, die Impulsfolge e der Impulsfolge d um die Zeit T voreilt, wobei jeder Impuls der ersten Impulsfolge d unmittelbar anschließend an jeden Impuls der zweiten Impulsfolge e erzeugt ist. Die erste Impulsfolge d wird dem Transistor 23 des Frequenz/Spannungs-Umsetzers zugeführt, um den Transistor 23 abhängig von jedem Impuls der Impulsfolge d durchzuschalten.

Der Kondensator 24 wird von der Stromversorgung +B über den Ladewiderstand 25 aufgeladen, wenn der Transistor ausgeschaltet oder gesperrt ist. Obwohl die Anschlußspannung des Kondensators24 im wesentlichen linear ansteigt*, _f wird er scharf oder plötzlich entladen und wird dessen Anschlußspannung auf Null verringert, wenn der Transistor eingeschaltet oder durchgeschaltet wird. Folglich wird eine Sägezahnspannung f, wie gemäß Fig. 2f, über den Kondensator 23 erzeugt mit einer Frequenz,die gleich der Wiederholfrequenz der Impulsfolge von der Differenzierschaltung 9 ist.

Unmittelbar bevor die Sägezahnspannung f einen Maximalwert in jedem Zyklus erreicht, wird jeder Impuls der zweiten Impulsfolge e dem Transistor 28 zugeführt, wodurch der

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Transistor 28 abhängig von jedem Impuls durchgeschaltet wird. Gleichzeitig wird der bisher durchgeschaltete oder leitende Transistor 29 abgeschaltet oder gesperrt und wird der Transistor 30 vorgespannt, um abhängig von der Spannung des Kondensators 24 über den Widerstand 26 zu leiten. Das heißS, in genau dem Augenblick, in dem jeder Impuls der zweiten Impulsfolge e dem Transistor 28 zugeführt wird, leitet der Transistor 30 abhängig von der im Kondensator 24 gespeicherten Spannung, d. h. einer Spannung, die im wesentlichen gleich dem Maximalwert der Sägezahnspannung f ist derart, daß der Kondensator 32 sofort von der Stromversorgung +B über den Transistor 30 aufgeladen wird. Die Sägezahnspannung d wird daher abgetastet und gespeichert in dem Kondensator 32.

Während der Zeitdauer oder derjPeriode^während der kein Impuls bei der zweiten Impulsfolge e erzeugt wird, sind beide Transistoren 28, 30 gesperrt, während der Transistor 29 durchgeschaltet ist. Wegen entgegenstehenden Widerstandes zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 30 wird jedoch die Spannung über den Kondensator 32 im wesentlichen aufrechterhalten, bis der nächste Impuls eintrifft.

Zum gleichen Zeitpunkt, zu dem der Imp.uls der zweiten

wird Impulsfolge e dem Transistor 28 zugeführt/,' wird er auch dem Transistor 31 zugeführt, wodurch dieser durchgeschaltet wird. Der so durchgeschaltete Transistor 31 wirkt als Konstantsi^romquelle im Stromweg des Emitterstromes des abtastenden.Transistors 30, wodurch der Abtastbetrieb des Kondensators 32 gefördert und beschleunigt wird. Der Transistor 31 ist für die Betriebsweise des erfindungsgemäßen

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Umsetzers nicht notwendig erforderlich, obgleich dessen Verwendung die Betriebsweise 'genauer oder zuverlässiger macht.

Auf diese Weise wird eine im wesentlichen konstante Steuergleichspannung g zwischen den Anschlüssen des
Kondensators 32 erzeugt, wobei der Spannungswert Vc
im wesentlichen proportional dem Maximalwert der Sägezahnspannung f ist. Diese Steuerspannung g wird dem
Vergleicherverstärker 11 zugeführt, in dem die Steuerspannung g mit der Bezugsspannung von der Bezugsspannungsquelle 12 verglichen wird. Abhängig vom Vergleichsergebnis wird
die Ansteuerschaltung 6 derart gesteuert, daß, wenn die Steuerspannung g niedrig ist, die Amplitude des vom Impulsgenrator 5 dem Transistor- 4 zugeführten Steuerimpulses verringert wird, während bei hoher Steuerspannung g die Amplitude des dem Transistor 4 zugeführten Steuerimpulses erhöht wird.

Mit größerwerdendem durch die Statorwicklung 2 fließendem Strom wird auch das Motor-Drehmoment größer und umgekehrt. Polglich wird mit zunehmenden Motor-Umdrehungen das
Drehmoment verringert und umgekehrt mittels des Servosystems, wodurch die Motordrehzahl konstant auf einem
vorgegebenen Wert gehalten wird.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1/ Frequenz/Spannungs-Umsetzer zum Umsetzen einer Frequenz in eine Gleichspannung, dadurch gekennz e i c h η et,

daß eine erste Impulsfolge (e) einer Impulswiederholfrequenz proportional der Frequenz eines Eingangssignals und eine zweite Impulsfolge (d) einer Impulswiederholfrequenz verwendet sind, die durch Verschieben der Impulse der ersten Impulsfolge in der Zeitsteuerphase erreicht ist_s . und daß der Frequenz/Spannun^gs-ümsetzer (10) aufweist einen Sägezahngenerator, der von der ersten Impulsfolge angesteuert ist, um sich wiederholende Sägezahnsignale zu erzeugen, und

eine mit dem Sägezahngenerator verbundene Abtastspeicher-Schaltung, die von der zweiten Impulsfolge (d) angesteuert ist, um jeden Impuls der Sägezahnspannung (f) abzutasten und zu halten bzw. zu speichern, um dadurch eine Gleichspannung (g) zu erzeugen.
2. Frequenz/Spannungs-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sägezahngenerator ein erstes Schaltelement enthält, das abhängig von jedem Impuls der ersten Impulsfolge (e) eingeschaltet und zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen der ersteH..Impulsfolge ausgeschaltet ist, und einen parallel zum ersten Schaltelement angeschlossenen Kondensator,

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' um. dessen Ausgang eine Sägezahnspannung (f) zu erzeugen, die auf den Minimalwert zurückkehrt, wenn das erste Schaltelement abgeschaltet ist, und daß die Abtastspeicher-Schaltung ein gleichstrommäßig mit dem Ausgang des ers ten Kondensators verbundenes aktives Element enthält, wobei ein zweites .Schaltelement mit dem aktiven Element verbunden ist, das ausgeschaltet ist und das aktive Element einschaltet, abhängig von jedem Impuls der zweiten Impulsfolge (d), und einen mit dem aktiven Element verbundenen zweiten Kondensator zum Abtasten und zum Speichern jedes Sägezahn= impulses der Sägezahnspannung (f) jedesmal wenn das aktive Element eingeschaltet ist.
3. Frequens/Spannungs-Umsetzer nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltelement ein drittes Schaltelement enthält, das abhängig von jedem Impuls der zweiten Impulsfolge (d) eingeschaltet ist, sowie ein viertes Schaltelement, das zwischen dem dritten Schaltelement und dem aktiven Element angeschlossen ist, wobei das vierte Schaltelement ausgeschaltet ist und das aktive Element einschaltet jedesmal wenn das dritte Schaltelement eingeschaltet ist.
4„ Frequens/Spannungs-Umsetzer nach Anspruch 2 oder 3_S dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element einen Transistor enthält, der basisseitig gleichstrommäßig mit erstem und zweitem Schaltelement verbunden ist, wobei derEmitter des Transistors mit dem zweiten Kondensator verbunden ist.
5. Frequenz/Spannungs-Umsetjzer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastspeicher-Schaltung weiter ein fünftes Schaltelement enthält_s das mit dem aktiven

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Element verbunden ist und das abhängig von jedem Impuls der zweiten Impulsfolge (d) einschaltbar ist, wodurch das fünfte Schaltelement als Konstantstromquelle im Stromweg des aktiven Elements wirkt.

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