DE2952156A1

DE2952156A1 - Spannungs-frequenz-wandler, insbesondere fuer die verwendung in elektrischen steuersystemen von kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE2952156A1
Application number: DE19792952156
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. 7257 Ditzingen Hönig; Edmund 7141 Schwieberdingen Jeenicke; Immanuel Dipl.-Ing. 7151 Erbstetten Krauter; Ing.(grad.) Manfred 7012 Fellbach Schenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-12-22
Filing date: 1979-12-22
Publication date: 1981-07-16
Also published as: JPH0239133B2; JPS56125113A; GB2066626A; DE2952156C2; US4410812A; GB2066626B

Description

23#2Ί56' R- 5917

Mü/Kö 3.12.1979

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Spannungs-Frequenz-Wandltr, : n^b·';:--·' 'ulere für die Verwendung in elektrische Steuerr.vsteinen von Kraftfahrzeugen^

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Spannungs-Frequenz-Wandler nach der Gattung des Hauptanspruchs· Dieser bekannte Wandler weist einen Differenzverstärker als Vergleicher auf, an dessen Plus-Eingang ein konstantes Signal anliegt und dessen Minus-Eingang mit der Eingangsklemme des Wandlers in Verbindung steht. Ausgangsseitig ist der Vergleicher am D-Eingang eines D-Flipflops angeschlossen, dessen Q-Ausgang über einen Widerstand zu einem an Masse liegenden Kondensator sowie zum Minus-Eingang des Vergleichers geführt wird. Ein dem analogen Eingangssignal entsprechendes Frequenzsignal steht am Ausgang des D-Flipflops zur Verfügung.

Grundprinzip der bekannten Schaltungsanordnung ist die wechselnde Auf- und Entladung des Kondensators, wobei die Häufigkeit der Ladewechsel von der Eingangsspannung abhängt und somit eine Spannungsfrequenz-Wandlung gegeben ist.

130029/0024

ORtGlNAL INSPECTED

κ. 5 9 1 7

In der Regel wird das Ausgangssignal des D-Flipflops zusammen mit einem Takt-Signal einem UND- oder NAND-Gatter zugeführt, an dessen Ausgang dann ein in der Frequenz gesteuertes Signal zur Verfügung steht.

Die bekannte Schaltung arbeitet im großen und ganzen zufriedenstellend. Ihre Schwächen besitzt sie jedo_ch dort, wo das Eingangssignal des Vergleichers an ein absolutes, festes Potential als Bezugsspannung angebunden sein muß. Die Probleme kommen daher, daß man in der Praxis sehr oft innerhalb eines umfaßenderen Systems die gleiche Referenzspannung benötigt, aufgrund der dann gegebenen Stromentnahme aus dieser Referenzspannungsquelle jedoch Schwankungen und somit Pegelanpassungsprobleme erhält. Zwar sind mit hohem technischen Aufwand diese Probleme beherrschbar, im Hinblick auf eine Mengenfertigung erweisen sich diese aufwendigen Stabilisieriungsschaltungen jedoch als zu kostspielig. Es ist somit eine der Aufgaben der Erfindung, einen einfach konzipierten, genauen und trotzdem kostengünstigen Spannungs-Frequenz-Wandler zu schaffen, der universell einsetzbar ist und sich außerdem mit ihm jedes gewünschte übertragungsverhalten realisieren läßt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Spannungs-Frequenz-Wandler mit den Merkmalen des Hauptanspruchs bringt exakte Ergebnisse, ist einfach in seinem Aufbau und darüber hinaus lassen sich mit ihm lineare und nichtlineare Wandler auf überraschend einfache Weise realisieren.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die aus dem Stand der Technik bekannte Kippstufe durch

130029/0024

κ. 59 17 ·

eine digital und mit einer hohen Taktfrequenz arbeitende monostabile Kippstufe ersetzt wird, da dann eine äusserst kurze Reaktionszeit vom Ausgangsignal des Komparatorsj das clocksynchronisiert werden muß, auf den Analogschalter erzielbar ist. Dadurch werden Frequenzeinrastungen (konstante Frequenz während eines Δ Vin) weitgehend unterdrückt.

Zeichnung

In der Zeichnung sind sowohl der bekannte Spannungs-Frequenz-Wandler als auch verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Sie werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutet. Es zeigen Fig. 1 den bekannten Spannungs-Frequenz-Wandler, die Fig. 2 bis 6 Wandler gemäß der Erfindung, Fig. 7 einen Diagramm bezüglich des 'Zusammenhang., von Ausgangs frequenz und Eingangsspannung der in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Wandler, Fig. 8 ein Blockschaltbild mit Zeitdiagramm, Fig. 9 ein ausführliches Schaltbild eines Spannungs-Frequenz-Wandlers mit quantisierter Zeitbasis und Fig. 10 ein Impulsbild bezüglich des Wandlers von Fig. 9·

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt den bereits oben erwähnten bekannten Spannungs-Frequenz-Wandler. Mit 10 ist ein Vergleicher bezeichnet, mit 11 ein D-Flip-Flop. Eine Eingangsklemme 12 des Wandlers ist über einen Widerstand 13 zum Minus-Eingang des Vergleichers 10 geführt, der wiederum über einen Kondensator 14 an Masse liegt. Der Plus-Eingang des Vergleichers 10 ist einmal über eine Parallelschaltung von Widerstand 15 und Kondensator 16 an Masse und ferner über einen Widerstand 17 an einer Plus-Leitung 18 angeschlossen.

130029/0024

Ausgangsseitig ist der Vergleicher unmittelbar zum D-Eingang des D-Flipflops 11 geführt und er steht zusätzlich über einen Widerstand 19 mit der Plus-Leitung 18 in Verbindung. Vom Q-Ausgang des D-Flipflops 11 führt ein Widerstand 20 zum Minus-Eingang des Vergleichers 10. Ein dem Q-Ausgang des D-Flipflops 11 nachgeschaltetes NAND-Gatter 21 erhält an seinem zweiten Eingang über einen Inverter 22. ein auch dem D-Flipflop zugeleitetes Taktsignal ausgehend von einer Eingangsklemme 23.

Wie bereits bei der Würdigung des Standes der Technik erwähnt, entspricht die Häufigkeit des Potentialswechsels am Ausgang des D-Flipflops 11 dem Analog-Wert der an der Eingangsklemme 12 anliegenden Eingangsspannung. Die dem D-Flipflop nachgeschaltete Logik-Anordnung mit dem NAND-Gatter 21 dient der Umformung des relativ niederfrequenten Ausgangssignals des D-Flipflops in ein gut verarbeitbares Nachfolgesignal. Wesentlich beim Gegenstand von Fig. 1 ist nun, daß die Ladung- bzw. Entladung des Kondensators 14 unmittelbar vom Ausgangspotential des D-Flipflops bestimmt wird. Ist der Spannungs-Frequenz-Wandler Teil eines umfassenden elektronischen Systems mit einer hohen Leistungsaufnahme, dann gestaltet sich das Bereitstellen stabiler Spannungswerte aufwendig und damit kostspielig.

Die Erfindung geht daher den Weg der Entkopplung der Auf- und Entladevorgänge beim Kondensator 14 von den einzelnen Schaltungselemente^ wie z.B. dem D-Flipflop 11. Dadurch ist dann nur noch eine Referenzspannungsquelle relativ niedriger Leistung erforderlich, die infolgedessen auch kostengünstig aufgebaut werden kann.

130029/0024

-f-t

κ. 59

Pig. 2 zeigt die Realisierung dieses Vorschlags in Form eines Umschalters 25, der mit seinem Steuereingang 26 am Q-Ausgang des D-Flipflops 11 angeschlossen ist, ausgangsseitig zum Widerstand 20 geführt ist und an seinen beiden Eingangsklemmen mit einem Bezugsspannungspotential sowie mit dem Masse-Potential in Verbindung steht. Während beim Gegenstand der j-'-i·;·· 1 das Ausgangssignal des D-Flipflops somit unmittelbar dar. Lade- bzw. Entladevorgang seinem Werte nach benimmt, steuert beim Gegenstand von Fig. 2 da? D-Flipflop 11 nur verschiedene feste Potentiale Ti den Widerstand 20.

Aufgrund dieser Entkopplung des Ausgangssignals des D-Flipflops 11 von den Lade- und Entladesignalen für den Kondensator 14 sind beliebige Signalpegel an den beiden Eingangsanschlüssen ?7 und 28 des Schalters 25 möglich. Gedacht ist hierbei insbesondere an nichtlineare Signalverläufe, um in der Charakteristik nichtlineare Spannungs-Frequenz-Wandler zu erzeugen. Einen entsprechenden Vorschlag zeigt Fig. 3 mit der Beschriftung der beiden Eingangsklemmen 27 und 28 des Schalters 25 mit U beliebig und U' beliebig.

Fig. K unterscheidet sich von Fig. 3 dadurch, daß der Schalter 25 nicht als Wechselschalter, sondern mittels zweiter Einzelschalter 30 und 31 realisiert ist. Beide Schalter 30 und 31 sind dann kondensatorseitig über je einen Widerstand 32 und 33 mit dem Kondensator 14 verknüpft. Ihre Ansteuerung erhalten die Schalter 30 und 31 dann zweckmäßigerweise getrennt über die beiden Ausgänge Q und Q des D-Flipflops 11.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für die Beschaltung des Gegenstandes von Fig. 4, um einen nichtlinearen Span- ·

130029/0024

ORIGINAL INSPECTlD

5 9 1 7

nungs-Frequenz-Wandler zu erhalten. Erreicht wird dies dadurch, daß von der Eingangsklemme 12 ein Spannungsteiler mit zwei Widerständen 35 und 36 gegen Masse geschaltet ist und die Verbindungsstelle der beiden Widerstände zur Eingangsklemme des Schalters 31 geführt ist. Auf diese Weise ist dann der durch den Widerstand 33 fließende Entladestrom des Kondensators 14 abhängig von der Eingangsspannung, was sich als Nichtlinearität auf das Ausgangssignal des Wandlers auswirkt .

Fig. 6 zeigt schließlich eine gegenüber Fig. 5 leicht abgewandelte Varation, in dem die beiden Widerstände 32 und 33 von Fig. 5 zu einem einzigen Widerstand 38 zusammengefaßt sind. Das Potential auf der Verbindungsstelle von Widerstand 38 und den beiden Schaltern 30 und 31 ist in das Schaltbild mit eingezeichnet und verdeutlicht den Einfluß dieses Potentials abhängig von den beiden Eingangsspannungen des Schalters 25. Durch diese Maßnahme wird der Einfluß der parasitären Ausgangskapazitäten des Analogschalters eliminiert, sofern die Analogeingänge niederohmig bleiben.

Die obengenannten Beispiele der erfindungsgemäßen Spannungs-Frequenz-Wandler sind einfach in ihrem Aufbau, zuverlässig im Betrieb und darüber hinaus lassen sich auch nichtlineare Funktionen zwischen Eingangs- und Ausgangssignal realisieren. Sollen sie in Signalverarbeitungsanlagen mit einer hohen Taktfrequenz eingesetzt werden, dann zeigt sich ein kleiner Nachteil der starren Kopplung zwischen Taktsignal des D-Flipflops 14 und der Betätigung des Schalters 25· Es kann dann nämlich der in Fig. 7 skizzierte Fall auftreten, daß

130029/0024

die strenge Zuordnung von Eingangssignal und Ausgangssignal nicht für alle Werte gegeben ist und sich als "Frequenzeinrastungen" bezeichnete Raststellungen ergeben. Diese aus Fig. 7 ersichtlichen und dort übertrieben stark gezeichneten Frequenzeinrastungen rühren daher, weil aufgrund des .t^!imi ttelbaren Zusammenhangs von Vergleicher C und D-FIv fiop 11 gewissermaßen das Vergleicherausgangssignal mit der Taktfrequenz synchronisiert wird. Drastisch veriingern läßt sich das Problem der in Fig. Γ dargestellten und bei den bisher beschriebenen Wandlern auftretenden Frequenzeinrastungen mit einer Einrichtung, wie sie als Blockschaltbild in Fig. 8a dargestellt ist.

Der in Fig. 8a im Blockschaltbild dargestellte Spannungs-Frequenz-Wandler weist eine "digital quantisierte Zeitbasis" auf, die mittels einer digital arbeitenden monostabilen Kippstufe AO realisierbar ist. Zur Quantisierung dieses Zeitbasis-Signals dient ein unmittelbar mit der Kippstufe ^O gekoppelter quarzgesteuerter Oszillator 41. Die restliche Anordnung entspricht wieder den vorstehend beschriebenen Wandlern.

Fig. 8b zeigt das Arbeitsprinzip der Schaltungsanordnung von Fig. 8a. Wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 10 aufgrund des stetigen Ladevorganges des Kondensators 14 kippt, dann schaltet auch die Kippstufe 40 für eine definierte Zeitdauer η . T beim Auftreten des nächsten Taktimpulses um. Dadurch wird der Schalter 25 in Endladeposition für den Kondensator 14 geschaltet und der Vergleicherausgangswert geht wieder in seine Ausgangsposition zurück. Unabhängig davon läuft die Standzeit der Kippstufe 40 ab. Es ergibt sich somit am Ausgang 60 ein gepulstes Signal konstanter Impulszeit und eingangsspannungsabhängiger Frequenz.

1 *i P π ■> < ■ -^λ, η "> ' ORIGINAL INSPBTTED

Bei der gewählten Polarität des Vergleichers 10 ergibt sich mit steigender Eingangsspannung eine steigende Ausgangsfrequenz. Wird hingegen eine umgekehrte Proportionalität oder allgemein ein umgekehrter Zusammenhang gewünscht, dann läßt sich dies durch eine anders geartete Polarität bei Vergleicher 10 und Referenzspannung V Ref erreichen.

Charakteristisches Merkmal beim Gegenstand von Fig. 8 ist schließlich noch, daß sich mit ihm sehr tiefe Frequenzen in Zuordnung zu einer definierten Eingangsspannung erzeugen lassen. Dies aufgrund einer entsprechend gewählten Standzeit der Kippstufe 40, wobei diese Standzeit durch vielfache von äußerst kurzen Taktperiodendauern gebildet wird.

Ein Ausführungsbeispiel für die Kippstufe 40 von Fig. 8a zeigt Fig. 9·

Nach der Darstellung von Fig. 9 folgt dem Vergleicher 10 eine Synchronisierungsstufe 50 mit einem vorgeschalteten Schmitt-Trigger (Inverter 51 und 52) sowie einem D-Flipflop 53· Nachgeschaltet ist dieser Synchronisierungsstufe 50 eine digital arbeitende Kippstufe 40 mit einer bistabilen Kippstufe 55j einem D-Flipflop 56, einem Zähler 57 sowie einem Decoder 58. Während der erste Eingang der bistabilen Kippstufe 55 mit dem Q-Ausgang des D-Flipflops 53 verbunden ist, ist der zweite Eingang dieser Kippstufe 55 an einem Ausgang 59 des acoders angeschlossen. Beide Ausgänge Q und Q der bistabilen Kippstufe 55 sind zum Schalter 25 geführt und sorgen dort für eine entsprechende Verbindung des Widerstandes 20 mit zwei unterschiedlichen Potentialen. An einem zweiten Ausgang 60 der Decodierstufe 58 ist das Ausgangssignal

130029/0024

des Spannungs-Frequenz-Wandlers abnehmbar. Dem Ausgang 59 ist ein NAND-Gatter vorgeschaltet, von dem ein Eingang mit dem Ausgang Q des D-Flipflops 53 in der Synchronisierstufe 50 gekoppelt ist. Diese Verbindung hat den Zweck, daß das Flipflop 55 nach Ablauf von k (k = 1,2 ... °o ) Monoflopzeiten erst ia;.n wieder kippen kann, wenn zuvor der Vergleicher 10 st r. Aus;:-, igssignal wieder geändert hat. Getaktet werden die beiden D-Flipflops 53 und 56, der Zähler 57 sowie ri.?s NAND-Gatter öl mit einer sehr hohen Taktfrequenz, die ά<.τ in Fig. 8, jedoch nicht in Fig. 9s dargestellte Oszillator 4l liefert.

Die Wirkungsweise des Gegenstandes von Fig. 9 wird zweckmäßigerweise anhand der Darstellung von Fig. 10 erläutert:

Solange das Eingangspotenbial am Minus-Eingang des Vergleichers 10 kleiner als das am Plus-Eingang ist, solange liegt das Ausgangspotential des Vergleichers 10 auf einem hohen Wert (Fig. 10b). Dadurch weist auch der Q-Ausgang des D-Flipflops 53 eine logische 1 (Fig. lOd) auf und entsprechend ist das Eingangssignal am nachfolgenden D-Flipflop 56 positiv. Der Zähler bleibt infolgedessen zurückgestellt. Am Ausgang 60 der Decodierstufe 58 liegt ein Null-Signal an.

Kehrt sich die Eingangspolarität des Vergleichers 10 um, dann geht dessen Ausgangsignalwert zurück, das D-Flipflop 53 kippt auf 0, das Ausgangssignal des nachfolgenden D-Flipflops 56 fällt ebenfalls auf Null und somit beginnt der Zähler 57 bei einem bestimmten Ausgangswert eine Zählung mit der Taktfrequenz. Gleichzeitig schaltet der Schalter 25 auch in eine neue Schalterstellung und entlädt damit den Kondensator Ik. Sinkt die Spannung über dem Kondensator wieder unter das Potential des Plus-Eingangs des Ver-

130G29/C02£ ORIGINAL INSPECTEO

κ. 5 S 1

gleichers ab, dann steigt dessen Ausgangssignal unabhängig vom Zählvorgang wieder an.

Ist ein bestimmter Zahlenwert im Zähler erreicht und mittels der Decodierstufe 58 erfaßt, dann wird das Flipflop 55 mittels des Signals am Ausgang 59 der Decodierstufe wieder umgeschaltet und die gesamte Anordnung befindet sich in Ausgangsposition. Ein Schalter 65 an einem der Eingänge des Schalters 25 charakterisiert die Umschaltmöglichkeit dieses Entladesignals von einem konstanten Wert 0 auf den variablen Eingangswert bzw. einen entsprechenden Bruchteil davon. Abhängig von dieser Schalterstellung ergibt sich ein linearer oder nichtlinearer Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Ausgangsfrequenz .

Wie bereits eingangs erwähnt stellen die oben beschriebenen Spannungs-Frequenz-Wandler sehr zuverlässige und exakt arbeitende Signalwandler dar. Gleichzeitig ist ihr Aufbau relativ einfach. Gedacht ist bei ihrer Verwendung insbesondere an Signalaufbereitungsschaltungen im Zusammenhang mit der Steuerung von elektrischen Einrichtungen in Fahrzeugen, z.B. die Einspritzung oder die Zündung.

130029/0024

Claims

Mü/Kö 3.12.1979

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

( 1.) Spannung3-l^;':-equenz-Wan..iler, insbesondere für die Verwendung in elektrischen Steuersystemen von Kraftfahrzeugen mit einem auf- und entladbaren Speicher, einem Vergleicher sowie einer nachgeschalteten Kippstufe, dessen Ausgangssignal die Auf- bzw. Entladung des Speichers steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Kippstufe (11, 40) eine Schalteinrichtung (25) für das Auf- und Entladesignal des Speichers (14) steuert.
2. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine lineare Signalwandlung konstante Auf- und Entladesignale am Eingang der Schalteinrichtung (25) verwendbar sind.
3. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für nichtlineare Spannungs-Frequenz-Wandler die Auf- und/oder Entladesignale am Eingang der Schalteinrichtung (25) nicht konstant, sondern zeitabhängig sind.

130029/0024

ORIGINAL INSPECTED
4. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet j daß das Auf- und/oder Entladesignal am Eingang der Schalteinrichtung (25) für den Speicher (14) eine Punktion des Eingangssignals ist.
5. Spannungs-Frequenz-Wandler nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kippstufe (40) insbesondere eine Kombination von bistabiler Kippstufe (55), Zähler (57) und Decodierer (58) verwendbar ist, das Schaltsignal für den Schalter (25) der bistabilen Kippstufe (55) abnehmbar ist und die Einrichtung mit einer relativ hohen Taktfrequenz arbeitet.
6. Spannungs-Frequenz-Wandler nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Standzeit der monostabilen Kippstufe (40) durch Abzählen einer hochgenauen quarzgesteuerten Oszillatorfrequenz (41) gewonnen wird.
7. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kippstufe (40) eine Synch^onisierstufe (50) vorgeschaltet ist.

130029/0024