DE3422716C2

DE3422716C2 -

Info

Publication number: DE3422716C2
Application number: DE3422716A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Ibaraki Jp Kato; Hideo Hitachi Jp Sato
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-06-20
Filing date: 1984-06-19
Publication date: 1988-08-11
Also published as: US4618814A; JPH0420238B2; JPS603098A; DE3422716A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Spannungs/Strom-Wandlerschaltung ist aus der US-PS 36 54 545 bekannt.

Spannungs/Strom-Wandlerschaltungen werden im allgemeinen im Ausgang eines Zweidrahtanalogsignalübertragungssystems z. 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-Wandlerschaltung hat die Aufgabe, ein Spannungssignal zwischen den Eingangsspannungen V₁ und V₂ in einen Ausgangsstrom zwischen I₁ und I₂ umzusetzen, beispielsweise eine bestimmte Eingangsspannung V₁ genau in einen Ausgangsstrom I₁ 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-Wandlers nötigen Strom dar, der außer dem Ausgangsstrom I in der Wandlerschaltung fließt. Für einen exakten Betrieb der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung muß die Abhängigkeit der Ausgangsstrom-Eingangs 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 _i durch eine Pegelschiebeschaltung 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 Eingangssignalspannung V _iL und einer Gegenkopplungsspannung V _R entspricht. Der durch die Last 10 fließende Strom wird durch eine Gegenkopplungsschaltung 14 erfaßt, die einen Bezugswiderstand 12 aufweist und zur Verstärkerschaltung 8 als Gegenkopplungssignalspannung V _R zurückgeführt. Damit wird erreicht, daß die Spannungs/Strom- Wandlerschaltung die Last 10 mit einem Strom speist, der der Eingangsspannung V _i proportional ist. Die Pegelschiebeschaltung 6 weist einen Widerstand 61 mit dem Widerstand R₁ und einen Widerstand 62 mit dem Widerstandswert R₂, die in Reihe geschaltet sind, auf, wodurch die durch die Widerstände 61 und 62 geteilte Eingangsspannung V _i der Verstärkerschaltung 8 eingespeist wird. Die Verstärkerschaltung 8 besteht aus einem Operationsverstärker 81 und einem Transistor 82, dem der Operationsverstärker 81 eine Differenz zwischen der Eingangssignalspannung V _iL und der Gegenkopplungssignalspannung V _R 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 82 und mit dem Versorgungsspannungsanschluß des Operationsverstärkers 81 über die Last 10 verbunden. Außerdem ist der Emitter des Transistors 82 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 wird dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 81 über den Widerstand 62 der Pegelschiebeschaltung 6 eingegeben. Die Eingangsspannung V _i 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 Eingangssignalspannung V _i und der Gegen kopplungssignalspannung (im wesentlichen dieselbe wie der Spannungsabfall am Bezugswiderstand 12) V _R fließt. Anders gesagt wird im Operationsverstärker 81 die Differenz zwischen der Eingangssignalspannung V _i und der Gegenkopplungssignalspannung V _R 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 I _O entsprechend der Eingangssignalspannung V _i durch die Last 10 und den Bezugswiderstand 12.

Die Ausgangsstromkennlinie der oben beschriebenen Spannungs/Strom- Wandlerschaltung läßt sich wie folgt angeben:

worin R₀ der Widerstandswert des Bezugswiderstands 12, R₁ und R₂ jeweils die Widerstandswerte der Widerstände 61 und 62, I _O der Aus gangslaststrom, V _i die Eingangssignalspannung und I _CC 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 I _CC durch die Gegenkopplungsschaltung 14 nicht erfaßt wird, da der Betriebsstrom I _CC des Operationsverstärkers 81 nicht durch den Bezugswiderstand 12 fließt. Damit verursacht die Komponente I _CC einen Fehler bei der Eingangsspannung-Ausgangsstrom-Kennlinie. Die Stärke des Betriebsstroms I _B 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 R₁, R₂ und dem Bezugswiderstand R₀ nötig sind, hat er den Nachteil, daß er viele teure Präzisionswiderstände benötigt.

Die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende Spannungs/Strom-Wandlerschaltung, die aus der US-PS 36 54 545 bekannt ist, ist dort in einem Verstärker für einen Halbleiterdruckmesser verwendet. Hier sind jedoch die Stromversorgung für den Laststromkreis und die Betriebsstromversorgung des Operationsverstärkers nicht gemeinsam.

Aus der DD-PS 91 689 ist es bekannt, zur Reduzierung des Einflusses von Betriebsspannungsschwankungen eine Signaleingangsklemme des Operationsverstärkers gleichspannungsmäßig mit den Klemmen des Stromversorgungsteils zu koppeln (vgl. Spalte 2, Zeilen 17 bis 31 der DD-PS 91 689).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung zu schaffen, die bei leichter Integrierbarkeit stabiles Verhalten auch bei schwankender Betriebsspannung zeigt.

Diese Aufgabe wird bei einer Spannungs/Strom-Wandlerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Die Unteransprüche 2 bis 9 kennzeichnen vorteilhafte Ausbildungen davon.

Dadurch, daß der gesamte durch die Last fließende Strom sowie der Betriebsstrom des Verstärkers von einem gemein samen Bezugswiderstand ausgehend erfaßt und gehalten werden, ergibt sich der Vorteil, daß die Anzahl der die Genauigkeit des Ausgangsstroms bezüglich der Eingangsspannung beeinflussenden Präzisionswiderstände auf ein Widerstands element - der Bezugswiderstand - reduziert werden kann. Dadurch kann die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung billig hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Erhöhung der Genauigkeit und der Stabilität. Die vorgeschlagene Spannungs/Strom-Wandlerschaltung kann außerdem leicht integriert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 3 ein Schaltbild eines ersten vorgeschlagenen Ausführungsbeispiels einer Spannungs/Strom- Wandlerschaltung;

Fig. 4 ein Schaltbild eines zweiten vorgeschlagenen Ausführungsbeispiels einer Spannungs/Strom- Wandlerschaltung;

Fig. 5 ein Schaltbild eines dritten vorgeschlagenen Ausführungsbeispiels einer Spannungs/Strom- Wandlerschaltung;

Fig. 6 Signalformen, die den Betrieb der in Fig. 5 dargestellten Schaltung erläutern,

Fig. 7 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer im Spannungs/Strom-Wandler des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in Fig. 5 verwendeten Polaritäts wendeschaltung,

Fig. 8 ein Schaltbild einer Variante der Polaritätswendeschaltung von Fig. 7 und

Fig. 9 ein Schaltbild einer Variante der Polaritätswendeschaltung, bei der die Steuerung durch einen Transformator erfolgt.

Fig. 3 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 Eingangssignalspannung V _i und einer Gegenkopplungssignalspannung V _R einer Last 10 einspeist und aus einer Gegenkopplungsschaltung 14, mit einer Polaritätswendeschaltung 20, die den durch die Last 10 fließenden Ausgangsstrom I _O 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 _i gemäß der Kurve 100 in Fig. 1 proportional ist.

Im einzelnen wird das Eingangssignal V _i 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 anschluß des Operationsverstärkers 81 und der Kollektor des Transistors 82 sind mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung 4 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 des Bezugswiderstandes 12 sind mit der Polaritätswendeschaltung 20 verbunden, die eine Halteschaltung 207 hat (durch 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 einen Invertierschalter 211 auf (durch eine strichpunktierte Linie umrandet), der die Polarität der im Kondensator 203 gehaltenen Spannung invertiert, wenn eine Differenz zwischen der Eingangssignalspannung V _i und der Gegen kopplungssignalspannung V _R vorliegt und die invertierte Spannung als das Gegenkopplungssignal V _R ausgibt. Die von der Schaltung 211 ausgegebene Gegenkopplungssignalspannung V _R 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 Steuerelektrodenanschluß 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 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 Polaritäts wendeschaltung 20 oder mit einem Punkt, dessen Potential noch geringer ist, verbunden werden. Der Impulsgenerator 22 besteht in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem astabilen Multivibrator, der 2 CMOS (Komplementär-Metall-Oxid halbleiter) 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 bestehen, 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 Vergleich 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 Ohm, falls die Gegenkopplungsspannung 5 V durch den Laststrom 20 mA erreicht werden soll.

Nachstehend wird der Betrieb der vorgeschlagenen Spannungs/ Strom-Wandlerschaltung beschrieben. Beim Einschalten der Spannungsversorgung 4 und nach Anlegen der Eingangsspannung V _i zwischen 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 8 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 22 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. Damit wird die im Kondensator 203 gespeicherte Spannung als Gegenkopplungssignalspannung V _R von der Polaritätswendeschaltung 20 durch die Schaltglieder 209 und 210 ausgegeben. Dabei liegt die Spannung V _R bezüglich des Massepotentials auf der positiven Seite, wodurch die Polarität des Spannungsabfalls am Bezugswiderstand 12 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 Gegen kopplungssignals noch klein, da der Ausgangsstrom des Transistors 82 noch nicht genügend angestiegen ist. Deshalb ist der nichtin 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 I _O (Laststrom) wird bei einem konstanten Wert stabilisiert, sobald die Gegenkopplungssignalspannung V _R gleich der Eingangsspannung V _i 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 läßt sich der Ausgangsstrom I _O durch die Gleichung

worin V _i die Eingangsspannung, I _o der Ausgangsstrom, R₀ der Widerstandswert des Bezugswiderstands 12 und I _ss die Stromstärke des Versorgungsstroms der CMOS-Pulsgenerator 22, der durch den Punkt a tiefsten Potentials fließt, sind.

Die Stromstärke I _ss ist proportional der Betriebsfrequenz der Impulsgeneratorschaltung 22. Da jedoch die Impulsgeneratorschaltung 22 aus einem CMOS-Invertierglied aufgebaut ist, kann die Stromstärke I _ss im Vergleich mit der Betriebsstromstärke des Operationsverstärkers (die in der Größenordnung einiger mA liegt) sehr klein werden und z. B. 1 bis 2 µA bei 10 kHz betragen und ist damit vernachlässigbar. Aus diesem Grunde ist das Verhältnis zwischen der Eingangsspannung V _i und dem Ausgangsstrom I _O im wesentlichen nur durch einen einzigen Widerstandswert R₀ bestimmt. Dadurch ist die Genauigkeit verbessert. Auch beim Auftreten einer Eingangs-Offset-Spannung des Operationsverstärkers 31 läßt sich die Differenzspannung direkt ohne die Widerstands-Spannungsteilerschaltung des Standes der Technik erzeugen, wodurch wiederum die Genauigkeit erhöht ist.

Zusätzlich verringern sich Herstellungskosten dadurch, daß nur ein Präzisionswiderstand als Bezugswiderstand 12 nötig ist, der die Genauigkeit und die Stabilität bestimmt.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der 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. 3, wobei jedoch der Kondensator 201 und der Widerstand 202 fehlen. Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird nach Anlegen einer Eingangssignalspannung V _i 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. 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 _i 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 Verhängnis einer Kapazität 203 zu einer Kapazität 83, d. h. zum Wert C₂₀₃/C₈₃. Die oben genannte Frequenz des Impulsgenerators beträgt beispielsweise 1 bis 10 kHz. Da die Kapazitäten 203 und 83 in Fig. 4 durch MOS-Kapazitäten gebildet sein können, kann die in Fig. 4 dargestellte Wandlerschaltung durch eine integrierte Schaltung mit Ausnahme des Präzisionswiderstandes 12 realisiert werden.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der 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 _i und der Gegenkopplungssignalspannung V _R 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 84 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 Ausgangstransistors 82 und dem Bezugswiderstand 12. Zwischen dem Eingangsanschluß 2 an den die Eingangsspannung V _i angelegt ist und der Kapazität 89 ist ein Schaltglied 261 eingeschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen dem Schaltglied 261 und dem Kondensator 89 wird mit dem Gegenkopplungssignal V _R durch das Schaltglied 262 von der Polarität wendeschaltung 20 gespeist.

Der Betrieb der Spannungs/Strom-Wandlerschaltung gemäß Fig. 5 wird anhand des in Fig. 6 dargestellten Zeitdiagramms beschrieben. In Fig. 6 ist die Zeit längs der Abszisse angetragen. An der Ordinate sind ein Steuersignal Q₉₀ des Schaltglieds 90, ein Steuersignal Q₂₆₁ des Schaltglieds 261 und ein Steuersignal S₂₀₄, 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 208 liegt, als Spannungswerte angetragen.

Fig. 16 zeigt, daß zum Zeitpunkt t₁ 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 _i, das am Eingangsanschluß 2 liegt, ebenfalls am Eingangsanschluß der Kapazität 89, und andererseits wird die Ein 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 _i 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 t₂ 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 _i ist. Falls jedoch die Spannung V _R, die im Kondensator 203 gespeichert ist, größer oder kleiner als die Eingangsspannung V _i 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 _i wird. Da der Ausgang des Operationsverstärkers 84 über das Schaltglied 90 und ebenfalls der Ausgang des Operationsverstärkers 85 über die Kapazität 87 zum Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 84 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 _i zum Zeitpunkt t₂ eingegeben wurde und wird ausgeglichen. Gleichzeitig wächst die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 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 V _R größer als die Eingangsspannung V _i wird, gleichen sich die Haltespannung V _R und die Eingangsspannung V _i 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 t₃ liegt die Eingangssignalspannung V _i erneut an der Kapazität 89. Danach wird beim Zeitpunkt t₄ die Haltespannung V _R eingegeben und mit der Eingangsspannung V _i verglichen. Dieser Betrieb wird abwechselnd wiederholt, wodurch sich Koinzidenz des Spannungsabfalls am Bezugswiderstand 12 mit einem Spannungswert der Eingangssignalspannung V _i im stabilen Zustand ergibt.

Gemäß der obigen Beschreibung hat das Ausführungsbeispiel von Fig. 5 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 seiner Offset-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. 7 dargestellten Schaltung besteht der Inversionsschalter 211 lediglich aus dem Schaltglied 209, und das Schaltglied 210 kann entfallen. Mittels der Polaritäts wendeschaltung 20 gemäß Fig. 7 läßt sich die gleiche Wirkung wie mit der Polaritätswendeschaltung der Fig. 5 erzielen.

In Fig. 8 ist die Halteschaltung 207 von Fig. 5 dahingehend geändert, daß die Schaltglieder 205 und 206 weggelassen und durch Widerstände 220 und 221 ersetzt wurden. Der Inversionsschalter 201 besteht nur aus dem Schaltglied 209. In Fig. 8 lädt deshalb die am Bezugswiderstand 12 liegende Spannung den Kondensator 203 über die Widerstände 220 und 221, die einen hohen Widerstandswert haben, auf. Zum Auslesen der Spannung des Kondensators 203 versetzt ein Impulssignal das Schaltelement 209 in den leitenden Zustand und verbindet ein Ende des Kondensators 203 mit der Erde. In der in Fig. 8 dargestellten Schaltung sollten die Widerstandswerte der Widerstände 220 und 221 1 MΩ oder mehr betragen, falls der Ein-Widerstand des Schaltglieds 209 mehrere 100Ω beträgt.

Folgende weitere Modifikationen der vorgeschlagenen Polaritätswendeschaltung sind möglich:

(1) Statt der Schaltglieder der Polaritätswendeschaltung 20 können Feldeffektransistoren bipolare Transistoren, Relais oder ähnliche Glieder verwendet werden.
(2) Wie die Fig. 9 zeigt, kann ein Ansteuersignal von einer Ansteuersignalquelle 22 den Schaltgliedern 205, 206, 209 und 210 der Polaritätswendeschaltung 20 über einen Transformator T _R angelegt sein.
(3) Durch Umändern der Konstantstromsteuerschleife in einen selbsterregten Oszillator kann die Steuerimpulssignalquelle für die Polaritätswendeschaltung 20 weggelassen werden.

Claims

1. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung, die einen einer Eingangssignalspannung proportionalen Strom einer Last einspeist, mit einer diesen Strom liefernden Speisequelle (4), einem Verstärker (81), der die an einem ersten Eingang anliegende Eingangssignalspannung (V _i ) und eine an einem zweiten Eingang liegende weitere Signalspannung empfängt und den Strom (I _O ) im Lastkreis über einen als Stellglied wirkenden Transistor (82) proportional zur Differenz zwischen der Eingangssignalspannung und der weiteren Signalspannung steuert, einem Bezugswiderstand (12), der im Lastkreis liegt, und einer Spannungserfassungsschaltung (20), die eine über dem Bezugswiderstand (12) abfallende Spannung erfaßt und als die weitere Signalspannung dem zweiten Eingang des Verstärkers (81) zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisequelle (4) zusätzlich den Betriebsstrom für den Verstärker (81) liefert und dieser Betriebsstrom über den Bezugswiderstand (12) geführt ist, die Spannungserfassungsschaltung (20) aufweist:

- eine Abtast- und Halteschaltung (207), die die über dem Bezugswiderstand (12) abfallende Spannung durch Abtasten und Halten auf ein vorgegebenes Steuersignal hin erfaßt und die so gebildete weitere Signalspannung gegenphasig zur Eingangssignalspannung dem Verstärker (81) zuführt.

2. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Transistor (82) verbundene Ende des Bezugswiderstandes (12) auf Bezugspotential (Erde) liegt, und eine Invertierschalteinrichtung (211) vorgesehen ist, die die Polarität der von der Abtast- und Halteschaltung erfaßten Spannung invertiert und die invertierte Spannung (V _R ) dem zweiten Eingang der Verstärkerschaltung (8) als die weitere Signalspannung zuführt.

3. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserfassungsschaltung (20) aufweist:

- einen Kondensator (201), der auf die von der Invertier schalteinrichtung (211) ausgegebene invertierte Spannung (V _R ) aufgeladen wird, und
- einen Widerstand (202), durch den die Ladespannung des Kondensators (201) dem zweiten Eingang des Verstärkers (81) zugeführt wird (Fig. 4).

4. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Invertierschalteinrichtung die invertierte Spannung direkt dem Verstärker (81) zuführt.

5. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker mehrstufig aufgebaut ist und aufweist:

- zwei Operationsverstärker (84, 85),
- Schaltglieder (261, 262), und
- einen Kondensator (89), der in Reihe mit dem Eingang des Verstärkers liegt, wobei die Schaltglieder (261, 262) die Eingangssignalspannung (V _i ) und die invertierte Spannung (V _R ) abwechselnd durchschalten und an den Kondensator (89) anlegen, der Kondensator (89) mit einer Differenzspannung zwischen der Eingangssignalspannung und der invertierten Spannung (V _R ) aufgeladen wird, und der Verstärker einen Ausgangsstrom entsprechend der Ladespannung des Kondensators (89) bewirkt (Fig. 6).

6. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungserfassungsschaltung weiterhin eine Signalgeneratorschaltung, die ein vorgegebenes Steuersignal erzeugt und eine Impulsgeneratorschaltung aufweist, die zwei Impulssignale mit einem gegenseitigen Phasenunterschied von 180° erzeugt,
die Abtast- und Halteschaltung (207) gesteuert von einem der beiden Impulssignale die am Bezugswiderstand (12) abfallende Spannung abtastet und hält, und
die Invertierschalteinrichtung (211) gesteuert vom anderen Impulssignal die Polarität der gehaltenen Spannung invertiert und die invertierte Spannung der Verstärkerschaltung zuführt (Fig. 4 und Fig. 10).

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 und
daß die Anschlüsse tiefsten Potentials der Impulssignalgeneratorschaltung und Spannungserfassungsschaltung gemeinsam an den Punkt tiefsten Potentials der Speisequelle (4) angeschlossen sind (Fig. 4).

8. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssignalgeneratorschaltung einen Impulsgenerator (22) und einen Transformator (T _R ) aufweist, dessen Primärseite mit dem Impulsgenerator (22) verbunden ist und dessen Sekundärseite Anschlüsse aufweist, die die zwei Impulssignale mit der gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° abgeben (Fig. 10).

9. Spannungs/Strom-Wandlerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und 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 die Spannung am Bezugswiderstand (12) den Kondensator (203) aufgeladen hat, wobei

die Invertierschalteinrichtung (211) zweite Schaltglieder (209, 210) aufweist, die abhängig vom Steuersignal den Kondensator (203) mit dem Verstärker (81) verbinden, so daß nach vollendeter Aufladung des Kondensators (203) dessen Ladespannung dem Verstärker (81) eingegeben wird.