DE3206400C2

DE3206400C2 - Strom/Impuls-Wandler

Info

Publication number: DE3206400C2
Application number: DE3206400A
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl.-Ing. Oberwil Petr; Benedikt Dipl.-Math. Zug Steinle
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1982-02-23
Publication date: 1985-01-31
Also published as: FR2506463B3; US4520311A; DE3206400A1; CH655581B; FR2506463A3

Abstract

Strom/Impuls-Wandler zur potentialfreien Umwandlung eines Meßstromes (I ↓M) in eine Impulsfolge, mit Hilfe einer linearen Transformation im ersten Strom/Magnetfeld-Wandler (1) des Meßstromes (I ↓M) in ein Meßmagnetfeld (H ↓M) und eines Vergleichs des Meßmagnetfeldes (H ↓M) mit einem Referenzmagnetfeld (H ↓R) in einem den beiden Magnetfeldern ausgesetzten Magnetfeldkomparator (12), der aus einer Spannungsquelle (2), einer magnetoresistiven Dünnfilmschaltung (3) und einer Auswerteschaltung (11) besteht, welche ihrerseits einen Differenzier-Verstärker (4) und einen Schmitt-Trigger (5) enthält. Der Differenzier-Verstärker (4) setzt sich zusammen aus einem Operationsverstärker (8), einem auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (8) zurückgeführten Rückkopplungswiderstand (9) und einem diesen invertierenden Eingang speisenden Kondensator (10). Eine Referenzstromquelle (7) erzeugt mit Hilfe eines Referenzstromes (I ↓R) und eines zweiten Strom/Magnetfeld-Wandlers (6) das Referenzmagnetfeld (H ↓R) mit beispielsweise dreieckförmigem zeitlichen Verlauf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strom/lmpuls-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, welche einen Verstärker und einen Schmitt-Trigger aufweist.

Solche Strom/Impuls-Wiindlcr können /.. H. ills Bestandteil eines Rechteck-Modulators z. B. in elektronischen Elektrizitiuszählcrn verwendet werden. In einem Rechteck-Modulator wird bekanntlich eine schnelle Impulsfolge generiert, deren Impulsdauer/Impulslücke-Tastverhältnis dem Momentanwerl der F.ingangsgröße,

z. B. eines Meßstromes, proportional ist.

Ein Strom/lmpuls-Wandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist bereits vorgeschlagen worden (DE-OS 29 48 762), und eine zusätzliche Schaltungsmöglichkeit magnetoresistor 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
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 durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Strom/Impuls-Wandlers,

F i g. 2 eine Kennlinie Ub = f(H) einer magnetoresistiven Dünnfilmschaltung und

F i g. 3 Zeitabläufe der Parameter Hm, Hr, Ub und Uw-Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile bzw. gleiche Parameter.

Der ils der F i g. 1 dargestellte Strom/lmpuls-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 Im wird im ersten Strom/Magnetfeld-Wandler 1 potentialfrei in ein proportionales Meßmagnetfeld Hm umgewandelt. Der Referenzstromgenerator 7 erzeugt einen Referenzstrom Ir, welcher z. B. eine dreieckförmige Funktion der Zeit ist. Der Referenzstrom Ir durchfließt den zweiten Strom/Magnetfeld-Wandler 6, welcher ein dem Referenzstrom /« proportionales, demnach ebenfalls ein z. B. in Funktion der Zeit dreieckförmiges Referenzmagnetfeld Hr erzeugt. Beide Strom/Magnetfeld-Wandler 1 und 6 sind im einfachsten Fall elektrische Leiter oder, wie in der F i g. 1 dargestellt, eisenlose Spulen. Die magnetoresistive Dünnfilmschaltung 3 besteht im einfachsten Fall aus zwei als Spannungsteiler geschalteten magnetoresistiven Widerständen oder, wie in der F i g. 1 dargestellt und im angegebenen Stand der Technik näher erläutert, aus einer

so 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 Hm und dem überlagerten Referenzmagnetfeld Hr parallel zu ihrer Oberfläche ausgesetzt ist. Die beiden Magnetfelder Hm und Hr besitzen demnach am Ort der magnetoresistiven Dünnfilmschaltung 3 parallele Feldlinien, die außerdem an diesem Ort für beide Magnetfelder Hm und Hr entgegengesetzter positiver Richtung sind.

Die einpolig an Masse liegende Spannungsquellc 2 speist zwei diametral gegenüberliegende Pole der Briikkcnsehaltiing der magneloresistiven Dünnfilmschaltung

h5 3 mit einem Gleichstrom /». Die beiden anderen diametral gegenüberliegenden Pole dieser Brückenschaltung liefern eine zweipolige Brückenspannung {/»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 Sirom/lmpuls-Wandlers mit der Ausgangsspannung Uw-

Der Differenzier-Verstärker 4 besteht aus einem Operationsverstärker 8, dessen Au.gang 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 Differenzisr-Verstärker 4 und der Schmitt-Trigger 5 bilden eine Auswerteschaltung 11 und diese mit der Spannungsqulle 2 und der magnetoresistiven Dünnfilmschaltung 3 einen Magnetfeldkomparator 12, dessen Aufgabe es ist, beide Magnetfelder Hm und Hr miteinander zu vergleichen.

Funktionsbeschreibung der Schaltung
nach F i g. 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 = Hm— Hr und erzeugt an ihrem Ausgang, wenn dieses Gesamtmagnetfeld H einen Wert verschieden von Null besitzt, eine Brückenspannung Un, die idialerweise gleich Null, in der Praxis jedoch gleich einer Offset-Gleichspannung U_orrder magnetoresistiven Dünnfilmschaltung 3 ist. In der Nähe des Nulldurchganges des Gesamtmagnetfeldes H, d. h. in der Nähe von H_M = Hr, erscheint, wie aus dem angegebenen Stand der Technik ersichtlich und in der F i g. 2 idealisiert dargestellt, eine starke, einer S-Kennlinie ähnliche Änderung der Brückenspannung Ub, welche somit in der Nähe dieses Nulldurchganges des Gesamtmagnetfeldes H der in der Zeichnung nicht dargestellten Offset-Gleichspannung U„rr überlagert ist.

Der Gleichspannungsanteil der Brückenspannung Ub, 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 ■ dL/«/df, wobei K eine Konstante ist, enthält somit nur mehr als einzige Offset-Spannung diejenige des Operationsverstärkers 8, welehe vernachlässigbar ist, da die Gleichspannungsverstärkung des Differenzier-Verstärkers 4 praktisch Null ist.

Die Ausgangsspannung des Differenzier-Verstäi kers 4 wird anschließend mit Hilfe des Schmitt-Triggers 5 in eine digitale Ausgangsspannung Uw umgewandelt, deren positiv und negativ gehende Flanken zeitlich genau mit den Nullwerten des Gesamtmagnetfeldes H, d. h. mit den Augenblicken Hm = H«, übereinstimmen.

Unter der Annahme, daß der Referenzsstromgenera- t>o tor 7 ein Dreieckstromgenerator ist, sind in der Fig. 3 die Parameter Hm. Hk. Un, Uw in Funktion der Zeit / dargestellt. Das Meßmagnetfeld Hm ist in der Praxis meist ein Wechselmagrietfeld. Die Frequenz des dreieckförmigcn Referen/.magncifeldes Hr wird in der Rc- μ gel viel größer gewählt, /. L>. mindestens zehnmal so groß, als diejenige des Meßstromes Im und damit des Meßmagnetfeldes Hu, so daß dieses Meßmagnetfeld Hm im gezeichneten Zeitbereich von rund zwei Perioden des Referenzmagnetfeldes Hr als annähernd konstant angesehen werden kann. Jedesmal, wenn H_M = Hr ist, erscheint im zeitlichen Ablauf der Brükkenjpannung Ub die erwähnte sinusperiodeähnliche Spannungsänderung, und zwar besitzt diese Sinusperiode eine annähernd um 180° verschobene Phase, je nachdem, ob das Gesamtmagnetfeld //den Nulldurchgiingin der einen oder in der anderen Richtung durchläuft, d. h.

je nach Polarität des Gesamtmagnetfeldes //nach dem Nulldurchgang, so daß der Schmitt-Trigger 5 bei entsprechender Festlegung der Schwellenwerte genau die Richtung der zu erzeugenden Flanken ermitteln kann. Eine optimale Verstärkung im Differenzier-Verstärker 4 reduziert die Anforderungen an die Genauigkeit der Schwellenwerte. Der Schmitt-Trigger 5 erzeugt somit annähernd zur Zeit der Nulldurchgänge der Brückenspannung Ub die digitalen Pegelwertändsrungen der Ausgangsspannung Uw des Strom/lmpuls-Wandlers, und zwar in der richtigen Richtung. Die Ausgangsspannung Uwbesteht demnach aus einer Impulsfolge. Da die Hysterese AUn des Schmitt-Triggers 5 symmetrisch zum Nullpunkt liegt, verschiebt sie zwar zeitlich die Flanken der Ausgangsspannung Uw, jedoch hat dies, da die positiv als auch die negativ gehende Flanke um den gleichen Betrag verschoben werden, wie in der F i g. 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/lmpuls-Wandlers gegenüber Offset-Spannungsschwankungen 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 der transformierten Meßmagnetfeldes mit einem Referenzmagnetfeld in einem den beiden Magnetfeldern ausgesetzten Magnetfeldkomparator, der aus einer magnetoresistiven Dünnfilmschaltung und einer Auswerteschaltung besteht, welche einen Verstärker und einen Schmitt-Trigger aufweist, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Verstärker als Differenzier-Verstärker(4) ausgebildet ist.

2. Strom/Impuls-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzie.-Verstärker (4) aus einem Operationsverstärker (8), einem auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (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 (Hr) ein Referenzstromgenerator (7) ist.

4. Strom/lmpuls-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzmagnetfeld (Hr) eine dreieckförmige Funktion der Zeit ist.

5. Strom/Impuls-Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Erzeuger des dreieckförmigen Referenzmagnetfeldes (Hr) ein Dreieckstromgenerator ist.

6. Strom/Impuls-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Referenzmagnetfeldes (Hr) mindestens um das zehnfache größer ist als die Frequenz des Meßstromes (I_M).

7. Strom/lmpuls-Wandler nach cin^m der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauelemente auf einem Substrat montiert und/oder integriert sind.

8. Verwendung des Strom/Impuls-Wandlers nach einem der Ansprüche ί bis 7 als Teil eines Rechleck-Modulators.

9. Verwendung eines Rechteck-Modulators nach Anspruch 8 in einem Elektrizitätszähler.