DE3206400A1

DE3206400A1 - Strom/impuls-wandler

Info

Publication number: DE3206400A1
Application number: DE19823206400
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl.-Ing. 6317 Oberwil Petr; Benedikt Dipl.-Math. 6300 Zug Steinle
Original assignee: Landis and Gyr AG; LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG; Landis and Gyr AG
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1982-02-23
Publication date: 1982-12-23
Also published as: FR2506463B3; US4520311A; CH655581B; FR2506463A3; DE3206400C2

Description

Strom/Impuls-Wand ler

Anwendungsgebiet und Zweck

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strom/Impuls-Wand ler zur potentialfreien Umwandlung eines Messstromes in eine Impulsfolge, mit Hilfe einer linearen Transformation des Messstromes in ein Messmagnetfeld und eines Vergleichs des transformierten Messmagnetfeldes mit einem Referenzmagnetfeld in einem den beiden Magnetfeldern ausgesetzten Magnetfeldkomparator, der aus einer magnetoresistiven Dünnfilmschaltung und einer Auswerteschaltung besteht.

Solche Strom/Impuls-Wandler können z.B. als Bestandteil, eines Mark-Space-Modulators z.B. in elektronischen Elektrizitätszählern verwendet werden. In einem Mark-Space-Modulator wird bekanntlich eine schnelle Impulsfolge generiert, deren Impulsdauer/Impuls lückeTastverhältnis dem Momentanwert der Eingangsgröße, z.B. eines Messstromes, proportional ist.
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Stand der Technik

Ein Strom/Impuls-Wandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist in der CH-Patentanmeldung 7235/80-1 bereits vorgeschlagen worden, und eine zusätzliche Schaltungsmöglichkeit magnetoresistiver Dünnfilme ist aus der Druckschrift "IEEE Transactions on magnetics", Vol. MAG-12, No. 6, Nov. 76, "A permalloy current sensor", Seiten 813 bis 815 bekannt.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den negativen Einfluss der Offset-Spannung der magnetoresistiven Dünnfilmschaltung auf die Flanken-Zeitgenauigkeit der erzeugten Impulse zu eliminieren und zwar auch dann, wenn das Ausgangsnutzsignal der magnetoresistiven Dünnfilmschaltung sehr klein ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Beschreibung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Strom/Impuls-Wandlers.

Fig. 2 eine Kennlinie LL· = f(H) einer magnetore-

sistiven Dünnfilmschaltung und Fig. 3 Zeitabläufe der Parameter H_M, H , U_ß und

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile bzw. gleiche Parameter.

Der in der Fig. 1 dargestellte Strom/I mpuls-Wandler besteht aus einem ersten Strom/Magnetfeld-Wandler 1, einer Spannungsquelle 2, einer magnetoresistiven Dünnfilmschaltung 3, einem Differenzier-Verstärker 4, einem Schmitt-Trigger 5, einem zweiten Strom/Magnetfeld-Wandler 6 und einem Referenzstromgenerator 7. Ein Messstrom I.. wird im ersten Strom/Magnetfeld-Wandler 1 potentialfrei in ein proportionales Messmagnetfeld H,, umgewandelt. Der Referenzstromgenerator 7 erzeugt einen Referenzstrom I_R, welcher z.B. eine dreieckförmige Funktion der Zeit ist. Der Referenzstrom I_ durchfliesst den zweiten Strom/Magnetfeld-Wandler 6, welcher ein dem

Referenzstrom I_D proportionales, demnach ebenfalls ein z.B. in K

Funktion der Zeit dreieckförmiges Referenzmagnetfeld H_D erzeugt. Beide Strom/Magnetfeld-Wandler 1 und 6 sind im einfachsten Fall elektrische Leiter oder, wie in der Fig. 1 dargestellt, eisenlose Spulen. Die magnetoresistive Dünnfilmschaltung 3 besteht im einfachsten Fall aus zwei als Spannungsteiler geschalteten magnetoresistiven Widerständen oder, wie in der Fig. 1 dargestellt und im angegebenen Stand der Technik näher erläutert, aus einer

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Brückenschaltung, aufgebaut aus vier bzw. acht Dünnfilmen, wobei im letzteren Fall je zwei Dünnfilme parallel geschaltet sind. Die Abkürzung MRB bedeutet "Magnetoresistive Brücke". Die magnetoresistive Dünnfilmschaltung 3 ist räumlich so angeordnet, dass sie dem Messmagnetfeld H„ und dem überlagerten Referenzmagnetfeld H_D parallel zu iher Oberfläche ausgesetzt ist. Die beiden Magnetfelder H_M und H_R besitzen demnach am Ort der magnetoresistiven Dünnfilmschaltung 3 parallele Feldlinien, die ausserdem an diesem Ort für beide Magnetfelder H.. und H_ entgegengesetzter positiver Richtung sind.

Die einpolig an Masse liegende Spannungsquelle 2 speist zwei diametral gegenüberliegende Pole der Brückenschaltung der magnetoresitiven Dünnfilmschaltung 3 mit einem Gleichstrom I_.

Die beiden anderen diametral gegenüberliegenden Pole dieser Brückenschaltung liefern eine zweipolige Brückenspannung LL· dem zweipoligen Eingang des Differenzier-Verstärkers 4, dessen Ausgang seinerseits einpolig den Eingang des Schmitt-Triggers 5 ansteuert. Der einpolige Ausgang des Letzteren ist gleichzeitig der Ausgang des Strom/Impuls-Wandlers mit der Ausgangsspannung

Der Differenzier-Verstärker 4 besteht aus einem Operationsverstärker 8, dessen Ausgang über einen Rückkopplungswiderstand 9 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 8 zurückgekoppelt ist. Dieser gleiche Eingang ist über einen Kondensator 10 mit einem ersten Eingang und der andere nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 8 direkt mit dem zweiten Eingang des Differenzier-Verstärkers 4 verbunden.

Der Differenzier-Verstärker 4 und der Schmitt-Trigger 5 bilden eine Auswerteschaltung 11 und diese mit der Spannungsquelle und. der magnetoresistiven Dünnfilmschaltung 3 einen Magnetfeldkomparator 12, dessen Aufgabe es ist, beide Magnetfelder H_M und H_R miteinander zu vergleichen.

Funktionsbeschreibung der Schaltung nach Fig. 1

Die Arbeitsweise der magnetoresistiven Dünnfilmschaltung 3 ist aus dem angegebenen Stand der Technik her bekannt und wird daher hier nicht näher beschrieben. Die magnetoresistive Dünnfilmschaltung 3 steht unter der Einwirkung des resultierenden Gesamtmagnetfeldes H = H - H_R und erzeugt an ihrem Ausgang, wenn dieses Gesamtmagnetfeld H einen Wert verschieden von Null besitzt, eine Brückenspannung U_R, die idealerweise gleich Null, in der Praxis jedoch gleich einer Offset-Gleichspannung U „ der magnetoresistiven Dünnfilmschaltung 3 ist. In der Nähe des Nulldurchganges des Gesamtmagnetfeldes H, d.h. in der Nähe von H.. = H_D, erscheint, wie aus dem angegebenen Stand der Technik ersichtlich und in der Fig. 2 idealisiert dargestellt, eine starke, einer S-Kennlinie ähnliche Aenderung der Brückenspannung U_R, welche somit in der Nähe dieses Nulldurchganges des Gesamtmagnetfeldes H der in der Zeichnung nicht dargestellten Offset-Gleichspannung U ,, überlagert ist.

Der Gleichspannungsanteil der Brückenspannung U_R, d.h. vor allem die Offset-Gleichspannung der magnetoresistiven Dünnfilmschaltung 3, wird mit Hilfe des Kondensators 10 eliminiert und gleichzeitig ihr Wechselspannungsanteil im Differenzier-Verstärker 4 verstärkt. Dessen Ausgangsspannung K . B/dt, wobei K eine Konstante ist, enthält somit nur mehr als einzige Offset-Spannung diejenige des Operationsverstärkers 8, welche vernachlässigbar ist, da die Gleichspannungsverstärkung des Differenzier-Verstärkers 4 praktisch Null ist.

Die Ausgangsspannung des Differenzier-Verstärkers 4 wird anschliessend mit Hilfe des Schmitt-Triggers 5 in eine digitale Ausgangsspannung U^. umgewandelt, deren positiv und negativ gehende Flanken zeitlich genau mit den Nullwerten des Gesamtmagnetfeldes H, d.h. mit den Augenblicken H.. = H_D, übereinstimmen.

Unter der Annahme, dass der Referenzstromgenerator 7 ein Dreieckstromgenerator ist, sind in der Fig. 3 die Parameter KL·, H_, U_R U_w in Funktion der Zeit t dargestellt. Das Messmagnetfeld H.. ist in der Praxis meist ein Wechselmagnetfeld. Die Frequenz des dreieckförmigen Referenzmagnetfeldes H_R wird in der Regel viel grosser gewählt, z.B. mindestens zehn mal so gross, als diejenige des Messstromes I_M und damit des Messmagnetfeldes HL·, so dass dieses Messmagnetfeld I-L· im gezeichneten Zeitbereich von rund zwei Perioden des Referenzmagnetfeldes H_D als annähernd konstant angesehen werden kann. Jedesmal, wenn HL· = H_ ist, erscheint im zeitlichen Ablauf der Brückenspannung U_R die erwähnte sinusperiodeähnliche Spannungsänderung, und zwar besitzt diese Sinusperiode eine annähernd um 180 verschobene Phase, je nachdem, ob das Gesamtmagnetfeld H den Nulldurchgang in der einen oder in der anderen Richtung durchläuft, d.h. je nach Polarität des Gesamtmagnetfeldes H nach dem Nulldurchgang, so dass der Schmitt-Trigger 5 bei entsprechender Festlegung der Schwellwerte genau, die Richtung der zu erzeugenden Flanken ermitteln kann. Eine optimale Verstärkung im Differenzier-Verstärker 4 reduziert die Anforderungen an die Genauigkeit der Schwellwerte. Der Schmitt-Trigger 5 erzeugt somit annähernd zur Zeit der Nulldurchgänge der Brückenspannung U» die digitalen Pegelwertänderungen der Ausgangsspannung Ü"_w des Strom/Impuls-Wandlers, und. zwar in der richtigen Richtung. Die Ausgangsspannung LL· besteht demnach aus einer Impulsfolge. Da die Hysterese AU₁, des Schmitt-

Triggers 5 symmetrisch zum Nullpunkt liegt, verschiebt sie zwar zeitlich die Flanken der Ausgangsspannung U_w, jedoch hat dies, da die positiv als auch die negativ gehende Flanke um den gleichen Betrag verschoben werden, wie in der Fig. 3 gestrichelt dargestellt, keinen Einfluss auf das Impulsdauer/Impulslücke-Tastverhältnis des Strom/Impuls-Wandlers.

Die Verwendung eines Schmitt-Triggers 5 reduziert die Empfindlichkeit des Strom/Impuls-Wandlers gegenüber Offset-Spannungs-Schwankungen und bringt mehr Sicherheit gegenüber der Wirkung äusserer Störer, deren Amplituden kleiner sind als der Absolutwert der Schwellwerte des Schmitt-Triggers 5.

Da bei keinem Bauelement hohe Präzision verlangt wird, eignet sich die Anordnung sehr gut dazu, auf einem Substrat montiert und/oder integriert zu werden.

Claims

PATENTANSPR UECHE

1. Strom/Impuls-Wandler zur potentialfreien Umwandlung eines Messstromes in eine Impulsfolge, mit Hilfe einer linearen Transformation des Messstromes in ein Messmagnetfeld und eines Vergleichs des transformierten Messmagnetfeldes mit einem Referenzmagnetfeld in einem den beiden Magnetfeldern ausgesetzten Magnetfeldkomparator, der aus einer magnetoresistiven Dünnfilmschaltung und einer Auswerteschaltung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (11) einen Differenzier-Verstarker (4) und einen Schmitt-Trigger (5) enthält.

2. Strom/Impuls-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzier-Verstärker (4) aus einem Operationsverstärker (8), einem auf den invertierenden Eingang des Operationsverstäkers (8) zurückgeführten Rückkopplungswiderstand (9) und einem diesen invertierenden Eingang speisenden Kondensator (10) besteht.

3. Strom/Impuls-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Erzeuger des Referenzmagnetfeldes (H_D)

ein Referenzstromgenerator (7) ist.

4. Strom/Impuls-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Re
dreieckförmige Funktion der Zeit ist.

dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmagnetfeld (H ) eine

5. Strom/Impuls-Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Erzeuger des dreieckförmigen Referenzmagnetfeldes (H_R) ein Dreieckstromgenerator bzw. ein Dreieckspannungsgenerator ist.

6. Strom/Impuls-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Referenzmagnet-. feldes (H_R) mindestens um das zehnfache grosser ist als die Frequenz des Messstromes U_M)·

7. Strom/Impuls-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Bauelemente auf einem Substrat montiert und/oder integriert sind.

5 8. Verwendung des Strom/Impuls-Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Teil eines Mark-Space-Modulators.

9. Verwendung eines Marke-Space-Modulators nach Anspruch 8 in einem Elektrizitätszähler. 10