DE3422716A1 - Spannungs/strom-wandlerschaltung - Google Patents

Spannungs/strom-wandlerschaltung

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DE3422716A1
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Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan
Spannungs/Strom-Wandlerschaltung
Die Erfindung betrifft eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung und insbesondere eine solche Spannungs/Strom-Wandlerschaltung, die für eine hochgenaue Stromsignalübertragung über eine Zweidrahtleitung geeignet ist.
Spannungs/Strom-Wandlerschaltungen werden im allgemeinen im Ausgang eines ZweidrahtanalogsignaVübertragungssystems z. j.B. bei industriellen Instrumenten verwendet.
Fig. 1 zeigt ein Kennliniendiagramm, das die Kennlinie,nämlich • die Abhängigkeit des Ausgangsstroms I von der Eingangsspannung V bei einem solchen Spannungs/Strom-Wandler darstellt. Die durch die Kennlinie ~in Fig. 1 gekennzeichnete Spannungs/Strom-Wandlerschal tung hat die Aufgabe, ein Spannungssignal zwischen den Eingangsspannungen V, und V2 in einen Ausgangsstrom zwischen I* und I2 umzusetzen, beispielsweise eine bestimmte Eingangsspannung V. genau in einen Ausgangsstrom I- beispielsweise 4 mA und eine Spannung V2 in einem Strom I2, beispielsweise 20 mA umzusetzen. Eine weitere Kennlinie 200 stellt den zum Betrieb des Spannungs/Strom-Wandl ers nötigen Strom dar, der .außer dem Ausgangsstrom I in der Wandlerschaltung fließt. Für einen exakten Betrieb der Spannungs/Strom-Wandl erschal tung muß die Abhängigkeit der Ausgangsstrom-Eingangs-
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Spannungskennlinie 100 auch bei wechselndem Betriebsstrom 200 möglichst klein sein.
Fig. 2 zeigt eine bekannte Spannungs/Strom-Wandlerschaltung, bei der eine an einem Anschluß 2 anliegende Eingangsspannung V. durch eine Pegel schiebeschaltung 6, die zwischen dem Anschluß 2 und dem negativen Pol einer Spannungsquelle 4 angeschlossen ist, im Pegel verschoben und dann einer Verstärkerschaltung 8 eingegeben wird. Die Verstärkerschaltung 8 speist eine
Last 10 mit einem Strom der einer Differenz zwischen einer Eingangssignal spannung V-, und einer Gegenkopplungsspannung VR entspricht. Der durch die Last 10 fließende Strom wird durch eine Gegenkopplungsschaltung 14 erfaßt, die einen Bezugswiderstand 12 aufweist und zur Verstärkerschaltung 8 als Gegenkopplungssignal spannung VR zurückgeführt. Damit wird erreicht, daß die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung die Last 10 mit einem Strom speist, der der Eingangsspannung V1- proportional ist. Die Pegelschiebeschaltung 6 weist einen Widerstand 61 mit dem Widerstand R. und einen Widerstand 62 mit dem Widerstandswert R^, die in Reihe geschaltet sind, auf, wodurch die durch die Widerstände 61 und 62 geteilte Eingangsspannung V. der Verstärkerschaltung 8 eingespeist wird. Die Verstärkerschaltung 8 besteht aus einem Operationsverstärker 81 und einem Transistor 82, dem der Operationsverstärker eine Differenz zwischen der Eingangssignal spannung V -,-[_ und der Gegenkopplungssignal spannung VR zuführt und der diese Differenz als Differenzverstärker verstärkt. Der Transistor 82 steuert außerdem einen Strom von der Versorgungsspannung 4 entsprechend dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers 81. Der positive Pol der Versorgungsspannung 4 ist mit dem Kollektor des Transistors 32 und mit dem Versorgungsspannungsanschluß des Operationsverstärkers über die Last 10 verbunden. Außerdem ist der Emitter des Transistors mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung 4 über den Bezugswiderstand 12.und außerdem mit Masse verbunden. Der negative
Spannungsversorgungsanschluß des Operationsverstärkers 81 ist mit dem negativen Pol der Spannungsversorgung 4 verbunden.
Der beschriebene bekannte Spannungs/Strom-Wandler arbeitet in folgender Weise:
Der vom Stromausgangstransistor 82 abgegebene Strom wird als Spannungsabfall über dem Bezugswiderstand 12 im Emitterpfad des Transistors 82 erfaßt. Der Spannungsabfall am Widerstand 12
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wird dem nichtinvertierend Eingang des Operationsverstärkers 81 über den Widerstand 62 der Pegel schiebeschaltung 6 eingegeben. Die Eingangsspannung V. am Anschluß 2 wird ebenfalls dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 81 über den Widerstand 61 eingegeben. Die Verstärkerschaltung 81 steuert den Stromfluß durch die Last 10, so daß ein Strom entsprechend der Differenz zwischen der Eingangssignaspannung V. und der Gegenkopplungssignalspannung (im wesentlichen dieselbe wie der Spannungsabfall am Bezugswiderstand 12) VR fließt. Anders gesagt wird im Operationsverstärker 81 die Differenz zwischen der Eingangssignal spannung V. und der Gegenkopplungssignalspannung V„ erfaßt und diese Differenz verstärkt. Danach wird der verstärkte Ausgang der Basis des Transistors 82 angelegt. Entsprechend dem der Basis des Transistors 82 anliegenden Steuersignal fließt ein Strom Iq entsprechend der Eingangssignal spannung V- durch die Last 10 und den Bezugswiderstand 12.
Die Ausgangsstromkennlinie der oben beschriebenen Spannungs/Strom-Wandlerschaltung läßt sich wie folgt angeben
R2 vi ' \
*n ~ η D 1Cr ··.......·· \ ι j
U ι\λ i\/-i UC
worin R, der Widerstandswert des Bezugswiderstands 12, R. und R2 jeweils die Widerstandswerte der Widerstände 61 und 62, IQ der Aus-
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spannung gangslaststrom, V. die Eingangssignal und Irr der Betriebsstrom (der in die Spannungsversorgungsanschlüsse des Operationsverstärkers hinein bzw. herausfließt), sind.
Die Gleichung (1) zeigt, daß bei der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung von Fig. 2 die Komponente Icc durch die Gegenkopplungsschaltung 14 nicht erfaßt wird, da der Betriebsstrom I~r des Operationsverstärkers 81 nicht durch den Bezugswiderstand 12 fließt. Damit verursacht die Komponente Ip- einen Fehler bei der Eingangsspannung-Ausgangsstrom-Kennlinie. Die Stärke des Betriebsstroms Iß ist normalerweise in der Größenordnung von mA und im Vergleich mit dem Wert des Ausgangsstroms (maximal einige zehn mA) nicht vernachlässigbar. Da außerdem bei dem bekannten Spannungs/Strom-Wandler hochgenaue Widerstände für den Spannungsteiler R., R2 und dem Bezugswiderstand RQ nötig sind, hat er den Nachteil, daß er viele teure Präzisionswiderstände benötigt. ·
Um diesen Nachteil zu vermeiden, entwickelte man den in Fig. 3 dargestellten Spannungs/Strom-Wandler. Fig. 3 bezeichnen dieselben Bezugsziffern dieselben Elemente wie in Fig. 1y und deren Beschreibung kann deshalb entfallen. Der Hauptunterschied der in Fig. 3 gezeigten Schaltung im Vergleich mit der Schaltung in Fig. besteht darin, daß der gesamte von der Versorgungsspannung 4 durch die Verstärkerschaltung 8 fließende Strom durch den Bezugswiderstand 12 fließt. Zu diesem Zwecke ist die Stellung des Bezugswiderstands 12 anders als in der Schaltung in Fig. 2. Um weiterhin einen befriedigenden Betrieb des Operationsverstärkers unabhängig von der Änderung der Lage des Bezugswiderstandes zu erreichen, ist eine Ausgangskompensationsschaltung 16 zwischen dem Emitter des Ausgangstransistors 82 der Verstärkerschaltung 8 und dem Bezugswiderstand 12 und außerdem eine Eingangskompensationsschaltung 18 am Eingang der Verstärkerschaltung 8 eingeschaltet.
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Die Ausgangskompensationsschaltung 16 weist eine Zener-Diode ZD, auf, die zwischen dem Bezugswiderstand 12 und dem Emitter des Ausgangstransistors 82 liegt. Zusätzlich ist die Schaltung in Fig. 3 so aufgebaut, daß der gesamte Strom einschließlich eines durch den Ausgangstransistor 82 fließenden Stroms, eines Versorgungsstroms zu dem Fehlerverstärker (Operationsverstärker 81) und eines durch eine Reihenschaltung eines Widerstandes 183 und einer Zener-Diode ZDp fließenden Stroms, der Laststrom In den Bezugswiderstand 12 fließt. Dieser Schaltungsaufbau ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 654 545 vom 4. April 72 mit dem Titel "Halbleiterdruckmesser", die eine im wesetlichen gleiche Schaltung beschreibt, offenbart.
Zusätzlichlteilt die Eingangskompensationsschaltung 18 die Gegenkopplungssignalspannung VR von der Gegenkopplungsschaltung durch Widerstände 181 und 182 und legt die geteilte Spannung dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 81 der Verstärkerschaltung 8 an und teilt außerdem die Eingangsspannung Vj durch die Pegel schiebeschaltung 6, die die Teil spannung dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 81 anlegt. Der Eingangsanschluß für das Eingangssignal V1 am Widerstand 182 ist mit der Kathode der Zener-Diode ZD« und dieser Verbindungspunkt mit dem Kollektor des Transistors 82 über einen Widerstand 183 verbunden. Die Anode der Zener-Diode ZD2* einer der Spannungsversorgungsanschlüsse des Operationsverstärkers 81 und die Anode der Zener-Diode ZD., deren Kathode mit dem Emitter des Ausgangstransistors 82 verbunden ist, sind gemeinsam an Masse gelegt. Die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie dieser Spannungs/Strom-Wandlerschaltung wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:
1Q = ί kivi ^ Ck1 - k2)vz 3 C2)
62
worin k. das Verhältnis -5 —5— , k0 das Verhältnis
R 61 62
181 und V7 die Spannung der Zener-Diode ZD9 sind.
Rd
K182 +K181
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- ίο -
Die Genauigkeit des Ausgangsstroms hängt von der Genauigkeit jeweils der Verhältnisse k1 und k~ der Spannungsteilerwiderstände ab, weshalb die Kosten nicht verringert und die Genauigkeit nur schwer erhöht werden kann.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung die Nachteile der beschriebenen bekannten Spannungs/Strom-Wandlerschaltungen zu vermeiden, d. h. den auf dem Betriebsstrom für den Operationsverstärker beruhenden Fehler zu eliminieren und die Anzahl der Hochpräzisionswiderstände zu verringern und somit eine Spannungs/Strom-Wandlerschal tung anzugeben, die bei geringen Herstellungskosten eine hohe Genauigkeit hat.
Zur Lösung der obigen Aufgabe ist die Spannungs/Strom-Wandlerschal tung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein durch einen Laststrom, der durch einen Bezugswiderstand fließt, verursachter Spannungsabfall abgetastet und gehalten wird und dann als Gegenkopplungssignal, sobald eine Differenz zwischen der Eingangssignal spannung und der Gegenkopplungssignal spannung erreicht werden soll, eingespeist wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 4 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Spannungs/Strom-Wandlerschaltung gemäß der Erfindung,
Fig. 5 ein Schaltbild einesjzweiten Ausführungsbeispiels einer - Spannungs/Strom-Wandlerschaltung gemäß der Erfindung,
Fig. 6 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer Spannungs/Strom-Wandlerschaltung gemäß der Erfindung,
Fig. 7 Signalformen, die den Betrieb der in Fig.6 dargestellten Schaltung erläutern,
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Fig. 8 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer im Spannungs/Strom-Wandler des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in Fig. 6 verwendeten Polaritätswendeschaltung,
Fig. 9 ein Schaltbild einer Variante der Polaritätswenderschaltung von Fig. 8 und
Fig. 10 ein Schaltbild einer Variante der Polaritätswendeschaltung, bei der die Steuerung durch einen Transformator erfolgt.
Fig. 4 stellt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spannungs/Strom-Wandlerschaltung dar. Sie besteht aus einer Verstärkerschaltung 8, die einen Strom entsprechend einer Differenz zwischen einer Eingangssignal spannung V. und einer Gegenkopplungssignalspannung VR einer-Last 10 einspeist und aus einer Gegenkopplungsschaltung 14, mit
die einerjPol ari tätswendeschal tung 20, den durch die Last 10
fließenden Ausgangsstrom IQ mittels eines Bezugswiderstandes 12 .erfaßt und den erfaßten Spannungsabfall abtastet und hält und den .gehaltenen Spannungswert als Gegenkopplungssignal,um die Spannungsdifferenz zu erzeugen, ausgibt. Dadurch wird in die Last 10 ein Ausgangsstrom gespeist, der der Eingangsspannung V. gemäß der Kurve 100 in Fig. 1 proportional ist.
Im einzelnen wird das Eingangssignal V. an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 81, der als Fehlerverstärker arbeitet, angelegt und ein Ende eines Gegenkopplungskondensators 83 und ein Ende eines Widerstandes 202, die zusammen eine Integrierschaltung bilden, mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers-81 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 81 ist mit der Basis eines Konstantstromausgangstransistors 82 verbunden. Der positive Versorgungsspannungs-
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anschluß des Operationsverstärkers 81 und der Kollektor des Transistors 82 sind mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung über die Last 10 verbunden. Der negative Versorgungsspannungsanschluß des Operationsverstärkers 81 und der Emitter des Ausgangstransistors 82 sind über den Bezugswiderstand 12 mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung 4 verbunden. Beide Enden desBezugswiderstandes 12 sind mit der Polaritätswendeschaltung verbunden, die eine Halteschaltung 207 hat (clurch eine gestrichelte Linie umrandet ), die die am Bezugswiderstand 12 anliegende Spannung abhängig von einem vorgegebenen Steuersignal, das nachfolgend beschrieben wird, abtastet und die abgetastete Spannung in einen Kondensator 203 hält. Die Polaritätswendeschaltung 20 weist außerdem einenjlnvertierschalter 211 auf . .(durch eine strichpunktierte Linie umrandet), der die Polarität der im Kondensator 203 gehaltenen Spannung invertiert, wenn eine Differenz zwischen der EingangssignalspannungjV- und der Gegen- · kopplungssignalspannung VR ' vorliegt . und die invertierte Spannung als das Gegenkopplungssignal Vn ausgibt. Die von der Schaltung 211 ausgegebene Gegenkopplungssignal spannung VR wird über den Widerstand 202 dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 81 eingespeist. Die Halteschaltung 207 enthält Schaltglieder 205 und 206, die z. B. Feldeffekttransistoren oder ähnliche Bauelemente sein können und den Kondensator 203. Die Schaltglieder 205 und 206 verbinden jeweils beide Enden des Bezugswiderstands 12 mit beiden Enden des Kondensators 203. Sobald das Steuersignal am Steuerelektrodenaschluß 204 der Schaltglieder 205 und 206 anliegt, werden diese Glieder leitend und der Kondensator 203 wird durch die am Widerstand 12 anliegende Spannung aufgeladen, die er dann hält. Die Invertierschaltung 211 enthält Schaltglieder 209 und 210, beispielsweise Feldeffekttransistoren oder ähnliche Bauelemente, die jeweils mit beiden Enden des Kondensators 203 verbunden sind. Sobald ein weiteres Steuersignal den
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Steuerelektrodenanschlüssen der Schaltglieder 209 und 210 anliegt, werden diese leitend und die im Kondensator 203 gehaltene Spannung wird durch die Polaritätswendeschaltung 20 ausgegeben. Die jeweils den Steuerelektroden 204 bzw. 208 anliegenden Steuersignale werden durch einen Impulsgenerator 22 erzeugt. Der Impulsgenerator 22 gibt zwei Impulse mit einer Phasendifferenz von 180° auskommen, die jeweils den Anschlüssen 204 bzw. 208 eingespeist werden. Da die Schaltelemente der Polaritätswendeschaltung 20 fehlerlos ausgeschaltet werden müssen, soll der Versorgungsanschluß a des tieferen Potentials des Impulsgenerators 22 mit dem Punkt b geringster Spannung der Polaritätswendeschaltung 20 oder mit einem Punkt, dessen Potential noch geringer ist, verbunden werden. Der Impulsgenerator 22 besteht in dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem astabilen Multivibrator, der 2 CMOS (Komplementär-Metall-Oxidhalbleiter)Invertergatter aufweist, die in Kaskade geschaltet sind. Das Tastverhältnis der Ausgangsimpulse ist etwa 50 % und die Frequenz liegt zwischen einigen kHz und einigen zehn kHz. Da außerdem die Kondensatoren 83, 201 und 203 aus gewöhnlichen diskreten Elementen .bestellten, ist es vorzuziehen, daß deren •Kapazitätswert 100 pF oder mehr ist. Damit wird der Einfluß eines Leckstroms oder eines Rauschstroms der Schaltung vermieden. Die Zeitkonstante der aus dem Widerstand 202 und dem Kondensator 83 bestehenden Integrierschaltung wird im Verglich mit der Schaltperiode der Polaritätswendeschaltung 20, das ist die Impulsperiode des Impulsgenerators 22, genügend lang gewählt. Der Bezugswiderstand 12 hat bevorzugt einen Widerstandswert von 250 0hm, falls
die Gegenkopplungsspannung 5 V durch den Laststrom 20 mA erreicht werden soll.
Nachstehend wird der Betrieb der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung gemäß der Erfindung beschrieben. Beim Einschalten der Spannungsversorgung 4 und nach Anlegen der Eingangsspannung V- zwischen
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dem Eingangsanschluß 2 und der Masse speist der astabile Multivibrator des Impulsgenerators 22 die Steuerimpulse jeweils zu den Anschlüssen 204 und 208. Der Ausgangsstrom der Verstärkerschaltung fließt durch die Last 10. Der durch den Bezugswiderstand 12 fließende Laststrom verursacht daran den Spannungsabfall. Da der Spannungsabfall . negativer als das niedrigste Versorgungspotential (Masse) des Operationsverstärkers 81 ist, kann das Spannungssignal mit diesem tiefen Potential nicht als Gegenkopplungssignalspannung zum Eingang des Operationsverstärkers 81 zurückgekoppelt werden. Dann wird das Spannungspotential in seiner Polarität invertiert. Wenn der Impuls des Steuersignals des Impulsgenerators dem Steueranschluß 204 der Schaltelemente 205 und 206 der Polaritätswendeschaltung 20 anliegt,werden die Schaltglieder 205 und 206 leitend und der Spannungsabfall wird im Kondensator 203 gespeichert. In diesem Falle wird der Steuerimpuls umgekehrter .·'_"■ Phase bezüglich der Phase des Impulses am Steueranschluß 204 dem Steueranschluß 208 der anderen Schaltglieder 209 und 210 angelegt. Damit werden die Schaltglieder 209 und 210 ausgeschaltet. Dann wird dem Steueranschluß 204 der Steuerimpuls mit bezüglich der während dem leitenden Zustand anliegenden Phase invertierter ; Phase angelegt und die Schaltglieder 205 und 206 ausgeschaltet. Gleichzeitig werden die Schaltglieder 209 und 210 leitend gemacht. ·ί Damit wird die im Kondensator 203 gespeicherte Spannung als Gegenkopplungssignalspannung VR von der Polaritätswendeschaltung 20 durch die Schaltglieder 209 und 210 ausgegeben. Dabei liegt die Spannung VR bezüglich des Massepotentials auf der positiven Seite, wodurch die Polarität des Spannungsabfalls am Bezugswiderstand invertiert ist. Dieser Betrieb wird mit der Frequenz des Steuersignalimpulses des Impulsgenerators 22 wiederholt. Sofort nach dem Einschalten der Spannungsversorgung 4 ist die Größe des Gegenkopplungssignals noch klein, da der Ausgangsstrom des Transistors noch nicht genügend angestiegen ist. Doshdlb ist der nichtin-
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vertierende Eingang des Operationsverstärkers 81 größer als der invertierende Eingang. Aus diesem Grunde erhöht sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 81 in positiver Richtung und die Basis des Ausgangstransistors 82 wird vorwärts um einen großen Wert vorgespannt. Aufgrund dieser Vorspannung läßt der Ausgangstransistor 82 einen Strom durch die Last 10 fließen.Der die Last 10 durchfließende Strom wird durch den Bezugswiderstand 12 in eine Spannung umgesetzt, die in der Polaritätswendeschaltung 20 gehalten und dann dem invertierten Eingang des Operationsverstärkers 81 nach Polaritätsinversion der Spannung eingespeist wird. Als Ergebnis wird die negative Eingangsspannung des Operationsverstärkers 81 angehoben. Dieser Vorgang wird wiederholt und der Ausgangsstrom IQ (Laststrom) wird bei einem konstanten Wert stabilisiert, sobald die Gegenkopplungssignalspannung VR gleich der .Eingangsspannung V^ ist. Die zum Erreichen des stationären Zustands nötige Zeit ist proportional der Zeitkonstanten der Integrierschaltung (proportional dem Produkt aus dem Widerstandswert des Widerstandswerts 202 und der Kapazität des Kondensators 83). Im stationären Zustand fließt kein Strom durch den Integrationswiderstand 202 und die Größe der Spannung 201 und die Größe der Anschlußspannung des Kondensators 203 sind gleich der Anschlußspannung am Bezugswiderstand 12.
In diesem Falle laßt sich der Ausgangsstrom In durch die Gleichung ν
1 = +Iss <3>
O RT ss
worin V^ die EingangsspannungVR 0 ist der Widerstandswert des * ·
Bezugswiderstands 12 und I die Stromstärke des Versorgungsstroms
der CMOS-PuIsgenerator 22, der durch den Punkt a tiefsten Potentials j
fließt, sind. '
+) I der Ausgangsstrom
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Die Stromstärke I ist proportional der Betriebsfrequenz der Impulsgeneratorschaltung 22. Da jedoch die Impulsgeneratorschaltung 22 aus einem CMOS-Invertierglied aufgebaut ist, kann die Stromstärke I im Vergleich mit der Betriebsstromstärke des Operationsverstärkers (die in der Größenordnung einiger mA liegt) sehr klein werden und z. B. 1 bis 2 μΑ bei 10 kHz betragen und ist damit vernachlässigbar. Aus diesem Grunde ist das Verhältnis zwischen der Eingangsspannung V. und dem Ausgangsstrom Iq im wesentlichen nur durch einen einzigen Widerstandswert Rq bestimmt. Dadurch ist die Genauigkeit verbessert. Auch beim Auftreten einer Eingangs-Offset-Spannung des Operationsverstärkers 31 läßt sich die Differenzspannung direkt ohne die Widerstandsripannungsteilerschaltung des Standes der Technik erzeugen, wodurch wiederum die Genauigkeit erhöht ist.
Zusätzlich . verringern sich . Herstellungskosten dadurch, daß nur ein Präzisionswiderstand als Bezugswiderstand nötig ist, der die Genauigkeit und die Stabilität bestimmt.
Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spannungs/Strom-Wandlerschaltung. Darin sind ein Transistor 82 zur Steuerung des Ausgangsstroms, ein Bezugswiderstand 12 zur. Stromerfassung und eine Polaritätswendeschaltung 20 dieselben wie beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4, wobei jedoch der Kondensator 201 und der Widerstand 202 fehlen. Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 wird nach Anlegen einer Eingangssignal spannung V. an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 81 die Basis des Transistors 82 vorwärts vorgespannt, wodurch ein Strom durch die. Last 10 fließen kann. Dieser Strom wird durch den Bezugswiderstand 12 in eine Spannung umgesetzt, die dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 81 nach der Polaritätswende in eine positive Spannung durch einen Kondensator 203 der Polaritätswendeschaltung 20 angelegt wird.
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Somit verringert sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 81. Aufgrund dieser Gegenkopplung wird die Differenz zwischen dem nichtinvertierenden Eingang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 81 auf Null verringert und beide Eingänge stimmen überein. Das heißt mit anderen Worten, daß der Spannungsabfall am Bezugswiderstand 12 gleich der Eingangssignalspannung V. wird.
Bei dieser Spannungs/Strom-Wandlerschaltung ist, solange die Betriebsfrequenz der Polaritätswendeschaltung 20, d. h. die Frequenz der Impulsgeneratorschaltung 22 genügend hoch ist, die Gegenkopplungsverstärkung proportional zum Verhältnis einer Kapazität 203 zu einer Kapazität 83, d. h. zum Wert C203ZCg3. Die oben genannte Frequenz des Impulsgenerators beträgt beispielsweise 1 bis 10 kHz. Da die Kapazitäten 203 und 83 in Fig. 5 durch MOS-Kapazitäten gebildet sein können, kann die in Fig. 5 dargestellte Wandlerschaltung durch eine integrierte Schaltung mit ' Ausnahme des Präzisionswiderstands 12 realisiert werden.
Fig. 6 zeigt ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spannungs/Strom-Wandlerschaltung. Darin wird der bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschriebene Differenzverstärker als Abtast- und Haltetyp (sample-hold-Typ) betrieben, um den Einfluß der Eingangs-Offset-Spannung des Operationsverstärkers 34, der die Differenz zwischen der Eingangssignalspannung V. und der Gegenkopplungssignal spannung VR verstärkt, zu eliminieren. Dadurch wird eine hochgenaue Spannungs/Strom-Umsetzung erreicht. Die Verstärkerschaltung 8 besteht aus Operationsverstärkern 84 und 85, einem Ausgangstransistor 82 und einem Widerstand 85, Kapazitäten 87, 88 und 89 und Schaltgliedern 90 und 91. Dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 84 wird die Differenzspannung über die Kapazität 89 angelegt. Zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers
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ist das Schaltglied 90 eingeschaltet. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 84 ist mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 85 über das Schaltglied 91 verbunden. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 85 ist mit Erde über die Kapazität 88 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 85 ist mit seinem Ausgangsanschluß verbunden, der wiederum mit der Basis des Ausgangstransistors 82 und ebenfalls mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 84 verbunden ist. Der Widerstand 86 liegt zwischen dem Emitter des Ausgangstranssitrs und dem Bezugswiderstand 12. Zwischen dem Eingangsanchluß 2 an den die Eingangsspannung V. angelegt ist und der Kapazität ist ein Schaltglied 261 eingeschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen dem Schaltglied 261 und dem Kondensator 89 wird mit dem Gegenkopplungssignal VD durch das Schaltglied 262 von der Polaritätwendeschaltung 20 gespeist. ·
Der Betrieb der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung gemäß Fig. wird anhand des in Fig. 7 dargestellten Zeitdiagramms beschrieben. In Fig. 7 ist die Zeit längs der Abszisse angetragen. An der Ordinate sind ein Steuersignal Qgo des Schaltglieds 90, ein Steuersignal Q261 des Schaltglieds 261 und ein Steuersignal Sp04. das an den Anschluß 204 der Invertierschaltung'20 angelegt ist und ein Steuersignal Q91 des Schaltglieds 91, ein Steuersignal Q62 des Schaltglieds 262 und ein Steuersignal S208, das am Anschluß liegt, als Spannungswerte .angetragen.
Fig. 7 zeigt, daß zum Zeitpunkt t, die in Fig. 6 dargestellten Schaltglieder 261 und 90 leitend werden. Die Schaltglieder 205 und 206 der .Polaritätswendeschaltung 20 sind ebenfalls leitend. Die anderen Schaltglieder sind ausgeschaltet. Demnach liegt das Eingangssignal V-,das am Eingangsanschluß 2 liegt, ebenfalls am Eingangsanschluß der Kapazität 89/ und andererseits wird die
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gangs-Offset-Spannung des Operationsverstärkers 84 an den Eingang des Operationsverstärkers 84 gelegt. Folglich wird der Kondensator 89 mit einer Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung V. und der Offset-Spannung des Operationsverstärkers 84 aufgeladen. Die Kapazität 203 der Polaritätswendeschaltung 20 wird mit dem Spannungsabfall am Bezugswiderstand 12 aufgeladen. Dann sind zum Zeitpunkt tp die Schaltglieder 90, 261, 205 und 206 ausgeschaltet, und die Schaltglieder 220, 91, 209 und 210 . leitend. Als Ergebnis wird die im Kondensator 203 der Polaritätswendeschaltung gespeicherte Spannung nach Inversion der Polarität der Kapazität 89 über das Schaltglied 262 angelegt. In diesem Fall ändert sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 84 nicht, falls die Spannung der Kapazität 203 gleich der Eingangsspannung V. ist. Falls jedoch die Spannung VR, die im Kondensator 203 gespeichert ist, größer oder kleiner als die Eingangsspanriung V. ist, ändert sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 84. Anders gesagt heißt es, daß sich die Eingangsspannung des Operationsverstärkers 84 verringert und die Ausgangsspannung erhöht, sobald die Spannung der Kapazität 203 kleiner als die Eingangsspannung V-wird. Da der Ausgang des Operationsverstärkers 84 über das Schaltglied 90 und ebenfalls der Ausgang des Operationsverstärkers über die Kapazität 87 zum Eingangsanschluß des Operationsverstärkers zurückgekoppelt sind,wird, solange die Verstärkung des Operationsverstärkers 84 genügend groß ist, dessen Eingangsanschlußspannung gleich dem vorherigen Zustand, d. h. dem Zustand, bei dem das Eingangssignal V- zum Zeitpunkt tp eingegeben wurde und wird ausgeglichen. Gleichzeitig wächst die Ausgangsspannung des Operations-Verstärkers 85 an, sobald die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 84 vom tiefen Zustand zum ausgeglichenen Zustand anwächst und hebt dadurch die Basisspannung des Transistors 82. Sobald die von der Kapazität 203 gehaltene Spannung VR größer als die Eingangsspannung V. wird, gleichen sich die Haltespannung Vn und
ι Κ
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die Eingangsspannung V. in der zuvor beschriebenen Weise aus, obwohl sich die Spannung und der Strom gegensätzlich abhängig von dem oben beschriebenen Fall ändern können.
Beim nächsten Zeitpunkt t~ liegt die Eingangssignal spannung V. erneut an der Kapazität 89. Danach wird beim Zeitpunkt t^ die Haltespannung VR eingegeben und mit der Eingangsspannung V-verglichen. Dieser Betrieb wird abwechselnd wiederholt, wodurch sich Koinzidenz des Spannungsabfalls am Bezugswiderstand 12 mit einem Spannungswert der Eingangssignalspannung V. im stabilen Zustand ergibt.
Gemäß der obigen Beschreibung hat das Ausführungsbeispiel von Fig. 6 den Vorteil, daß der Einfluß der Offset-Spannung des Operationsverstärkers 84 eliminiert ist, da die Spannungsdifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem Gegenkopplungssignal durch die Größe der Ladungsänderung der Kapazität 89 erfaßt wird. Da außerdem der Operationsverstärker 85 in einer geschlossenen Schleife ist, kann der Einfluß seinerOffset-Spannung vernachlässigt werden. Die Verstärkung des Vergleichs des Eingangssignals mit dem Gegenkopplungssignal und der Ausgleich, d. h. die Empfindlichkeit der Verstärkerschaltung 8 kann durch das Verhältnis zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 87 und 89 geändert werden. Der Vorteil, daß im stationären Betrieb kein ständiger Fehler auftritt, ist auch bei geringer Verstärkung vorhanden, da eine Integrationssteuerung durch den Kondensator 87 so bewirkt wird, daß die Änderungsgröße (Fehler) immer mit hohem Schleifenverstärkungsgrad zugeführt wird. .
Zusätzlich vereinfacht sich die Polaritätswendeschaltung 20, wo der Vergleich der Spannungen in der Abtast- und Vergleichsoperation durchgeführt wird. In einer in Fig. 8 dargestellten Schaltung besteht
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der Inversionsschalter 211 lediglich aus dem Schaltglied 209, und das Schaltglied 210 kann entfallen. Mittels der Polaritätswendeschaltung 20 gemäß Fig. 8 läßt sich die gleiche Wirkung wie mit der Polaritätswendeschaltung der Fig. 6 erzielen.
In Fig. 9 ist die Halteschaltung 207 von Fig 6 dahingehend geändert, daß die Schaltglieder 205 und 206 weggelassen und durch Widerstände 220 und 221 ersetzt wurden. Der Inversionsschalter besteht nur aus dem Schatglied 209. In Fig. 9 lädt deshalb die am Bezugswiderstand 12 liegende Spannung den Kondensator über die Widerstände 220 und 221, die einen hoher. Widerstandswert haben, auf. Zum Auslesen der SDannuna des Kondensators 203 versetzt ein IrnDulssianal das Schaltelement 209 in den leitenden Zustand und verbindet ein Ende des Kondensators 203 mit der Erde. In der in Fia. 9 daraestellten Schaltuna sollten die Widerstandswerte derjWiderstände 220 und 221 1 WS"- oder mehr betraqen, falls der Ein-Widerstand des Schaltglieds 209 mehrere 100A beträgt. l
Weitere Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung enthalten folgende Modifikationen:
(1) Statt der Schaltglieder der Polaritätswendeschaltung 20 können Fedeffekttransistoren vom Übergangstyp, bipolare Transistoren, Relais oder ähnliche Glieder verwendet werden.
(2) Wie die Fig. -10 zeigt, kann ein Ansteuersignal von einer Ansteuersignalquelle 22 des den Schaltgliedern 205, 206, 209 und 210 der Polaritätswendeschaltung 20 über einen Transformator TD
ψ angelegt sein. . ·
(3) Durch Umändern der Konstantstromsteuerschleife in einen selbsterregten Oszillator kann die Steuerimpulssignalquelle für
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die Polaritätswendeschaltung 20 weggelassen werden.
Wie die vorangehende Beschreibung ausführt, wird gemäß der Erfindung der gesamte durch die Last fließende Strom durch einen Bezugswiderstand erfaßt und gehalten. Die Haltespannung wird als Gegenkopplungssignal ausgegeben.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Anzahl der die Genauigkeit des Ausgangsstroms bezüglich der Eingangsspannung beeinflussenden Präzisionswiderstände auf ein Widerstand selement reduziert werden kann.Dadurch kann die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung gemäß der Erfindung billig hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die ; Erhöhung der Genauigkeit und der Stabilität. Die erfindungsgemäße Schaltung kann außerdem leicht integriert werden.
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Claims (9)

  1. Patentansprüche
    1JSpannungs/Strom-Wandlerschaltung, die einen einer Eingangssignalspannung proportionalen Strom einer Last einspeist, mit
    einer Verstärkerschaltung, die die Eingangssignalspannung und eine Gegenkopplungssignal spannung empfängt und in die Last einen Strom entsprechend einer Spannungsdifferenz zwischen Eingangssignal spannung und der Gegenkopplungssignalspannung einspeist und
    einer Gegenkopplungsschaltung, die einen Bezugswiderstand aufweist, der ebenfalls von dem durch die Last.fließenden Strom durchflossen ist, wobei die Gegenkopplungsschaltung eine am Bezugswiderstand abfallende Spannung der Verstärkerschaltung als die Gegenkopplungssignalspannung einspeist,
    dadurch gekennzeichnet, ·
    daß die Gegenkopplungsschaltung (12, 20) aufweist:
    eine Spannungspolaritätswendeeinrichtung (20), die die am Bezugswiderstand (12) abfallende Spannung abtastet und hält und die gehaltene Spannung nach Umkehr ihrerpolarität als die Gegenkopplungssignalspannung ausgibt.
  2. 2. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, ^
    daß die Spannungspolaritätswendeeinrichtung'(20) aufweist:
    eine Halteschaltung (2.07), die den Spannungsabfall am Bezugswiderstand (12) abhängig von einem vorgegebenen Steuersignal hält, und
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    eine Invertierschalteinrichtung (211), die die Polarität der gehaltenen Spannung invertiert und die invertierte Spannung als Gegenkopplungssignal abhängig vom Steuersignal ausgibt.
  3. 3. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gegenkopplungsschaltung (12, 20) aufweist:
    einen Kondensator (201), der mit der von dem Invertierschalter (211) ausgegebenen Gegenkopplungssignal spannung aufgeladen wird, und
    . einen Widerstand (202) durch den die Ladespannung des Kondensators (201) der Verstärkerschaltung (8) zurückgekoppelt wi rd. .
    j j
  4. 4. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 2,
    * dadurch gekennzeichnet, .
    daß die Invertierschalteinrichtung das
    Ausgangssignal als Gegenkopplungssignalspannung direkt der Verstärkungsschaltung (8) zurückkoppelt.
  5. 5. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ";
    daß die Verstärkerschaltung (8) aufweist:
    ■■: einen Verstärker (84, 85),
    Schaltglieder (261, 262) und
    einen Kondensator (89), der in Reihe mit dem Eingang des Verstärkers (84, 85) liegt und
    daß die Schaltglieder (261, 262) die Eingangssignalspannung (V.) und die Gegenkopplungssignalspannung (V0) abwechselnd durchschalten und den Kondensator (89) anlegen,
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    daß der Kondensator (89) mit einer Differenzspannung zwischen der Eingangssignal spannung und der Gegenkopplungssignalspannung aufgeladen wird, und
    daß der Verstärker (84, 85) einen Ausgangsstrom entsprechend der Ladespannung des Kondensators (89) erzeugt (Fig. 6).
  6. 6. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gegenkopplungsschaltung (12, 20) weiterhin eine Signalgenaratorschaltung (22) aufweist, die ein vorgegebenes Steuersignal als zwei Impulssignale mit einem gegenseitigen Phasenunterschied von 180° erzeugt, "
    daß die Halteschaltung (207) gesteuert von einem der beiden Impulssignale den Spannungsabfall am Bezugswiderstand (12) abtastet und hält und . ■ ...... .
    daß die Invertierschalteinrichtung (211) gesteuert vom anderen Impulssignal die Polarität der gehaltenen Spannung invertiert und als Gegenkopplungssignal ausgibt.
  7. 7. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Impulssignalgeneratorschaltung (22) einen astabilen Multivibrator mit zwei in Kaskade geschalteten Invertiergliedern aufweist, die jeweils aus'einem CMOS-Gatter gebildet sind,
    daß ein Pu*ikt(a)der Impulssignalgeneratorschaltung (22), der das tiefste Versorgungspotential hat, mit einem Punkt (b) der Spannungspolaritätwendeschaltung (20), der das tiefste Spannungsversorgungspotential hat oder mit einem Potentialpunkt, dessen tiefstes Potential tiefer liegt als das tiefste Spannungsversorgungspotential der Impulsgeneratorschaltung verbunden ist, und
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    daß die Impulssignalgeneratorschaltung (22) und die Spannungspolaritätswendeschaltung (20) gemeinsam an eine Versorgungsspannung angeschlossen sind.
  8. 8. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Impulssignalgeneratorschaltung einen Impulsgenerator (22) und einen Transformator (TR) aufweist, dessen Primärseite mit dem Impulsgenerator (22) verbunden ist und dessen Sekundärseite
    die
    Anschlüsse aufweist, zwei Impulssignale mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° abgeben.
  9. 9. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Halteschaltung (20/ aufweist: :
    einen Kondensator (203), der mit der am Bezugswiderstand (12) abfallenden Spannung geladen wird,
    erste Schaltglieder (205, 206), die abhängig vom Steuersignal den Kondensator (203) parallel zum Bezugswiderstand (12). legen, bis der Spannungsabfall am Bezugswiderstand (12) den Kondensator (203) aufgeladen hat, und daß .. ..--·-.
    die Invertierschalteinrichtung (211) zweite Schaltglieder (209, 210) aufweist, die abhängig vom Steuersignal den Kondensator (203) mit der Verstärkerschaltung (8) verbinden, so daß nach vollendeter Aufladung des Kondensators (203) dessen Ladespannung der Verstärkungsschaltung (8) als Gegenkopplungssignal eingegeben wird.
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