DE3490472T1

DE3490472T1 - Schaltungsanordnung eines Strom-Impuls-Konverters mit veränderbarer Zeitkonstante

Info

Publication number: DE3490472T1
Application number: DE19843490472
Authority: DE
Inventors: István FEHÉR; Béla Szybó; Jenö Budapest Vágvölgyi
Original assignee: MTA Központi Fizikai Kutató Intézete, Budapest
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1985-11-14
Also published as: HU190508B; HUT34861A; WO1985001847A1; US4694208A; JPS61500146A

Description

-34S0472

SCHALTUNGSANORDNUNG EINES STROM-IMPULS-KONVERTERS MIT VERÄNDERBARER ZEITKONSTANTE

Die Erfindung betrifft die Entwicklung einer Schaltungsanordnung eines Strom-Impuls-Konverters mit veränderbarer Zeitkonstante.

In der wissenschaftlich-technischen Praxis besteht häufig die Erfordernis zur digitalen Verarbeitung von analogen Signalen, z. B. Strömen in einem weiten Messbereich. Zu diesem Zweck wird eine Vielzahl von verschiedenen A/D-Wandlern verwendet. In speziellen Fallen, wie z. B. bei einem zur Messung von Umweltschutzdosispegel bis zu Unfalldozispegel gleicherweise geeignetem thermolumineszenzdosimeter-Auswertegerät, ist der Strom der das Licht des Dosimeters umformenden Photoelektronenvervielfacherröhre in einem Messbereich von 7 -'8 Grössenürdi'iüngen, /von ca. 0,1-1 pA bis 1-10 ,uA/ in digitale Signale /Impulse/ umzuformen.

In einem Bereich von ähnlicher Grössenordnung muss auch der Strom-Impuls-Konverter eines Dosimeters mit Ionisationskammer funktionieren. Diese Konverter besitzen einen komplizierten Aufbau, beanspruchen mehrere Speisespannungen sowie einen hohen Energieverbrauch.

Im Falle eines kleinen tragbaren-, Thermolumineszenz Dosimeter /TLD/-Auswertegerätes mit Batteriebetrieb wird jedoch ein solcher Strom-Impuls-Konverter beansprucht, der einen einfachen Aufbau besitzt, mit hoher Zuverlässigkeit und geringem Energieverbrauch funktioniert, sowie bei entsprechender Genauigkeit einen Messbereich

49385-541 KCs

3 3420472

von 7-8 Grössenordnungen zu umfassen fähig ist.

Ein solcher Strom-Impuls-Konverter mit einfachem Aufbau ist aus der HU-PS 180 858 bekannt. Dieser Strom- -Impuls-Konverter besteht aus einem Ladekondensator, einer daran angeschlossenen digitalen Torschaltung sowie einem zwischen dem Ausgang der Torschaltung und dem Ladekondensator geschalteten Rückkopplungsglied. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die verwendeten aktiven Elemente- die digitale Torschaltung, das Rückkopplungsglied- über eine begrenzte Schaltgeschwindigkeit verfügen, und infolgedessen der Übertragungsbereich dieses Strom-Impuls-Konverters fünf Grössenordnungen nicht überschreitet.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung auszubilden, die bei Beibehaltung aller Vorteile der beschriebenen Lösung deren meiste Nachteile beseitigt. ^ '

Die mittels der Erfindung zu lösende Aufgabe . besteht dementsprechend in der Ausbildung einer Lösung, die zur Strom-Impuls-Umfcrmung in einem Messbereich von 7-8 Grössenordnungen geeignet ist.

Die erfindungsgemässe Lösung beruht auf der

IT

Erkenntnis, dass durch Änderung der Zeitkonstante des Strom-Impuls-Konverters die Betriebsgeschwindigkeit des Konverters auf die Weise beeinflusst werden kann, dass diese durch die Schaltgeschwindigkeit der aktiven Elemente nicht begrenzt wird. Somit kann der Funktionsbereich um mehrere Grössenordnungen erweitert werden, wenn die Zeitkonstante des Konverters bei einer bestimmten Betriebsgeschwindigkeit des Konverters vergrössert wird und dieser Vorgang mehrmals wiederholt wird. Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung stellt somit eine Weiterentwicklung

if -34S0472

-S-

einer bekannten Lösung dar, die mit einer digitalen Torschaltung, einem Rückkopplungsglied und einem Ladekondensator versehen ist, wobei ein Ausgang der digitalen Torschaltung an einen Eingang des Rückkopplungsgliedes angeschlossen, ist, während ein Eingang der digitalen Torschaltung an den Ladekondensator sowie an einen Ausgang des Rückkopplungsgliedes angeschlossen ist.

Die Weiterentwicklung, d.h. die Erfindung besteht darin, dass mindestens eine Reihenschaltung eines Steuerkondensators und eines elektronischen Schalters vorgesehen ist, wobei der andere Anschluss / die anderen Anschlüsse des Steuerkondensators / der Steuerkondensatoren über eine Eingangsleitung an den Eingang der digitalen Torschaltung geführt ist/sind, dass ein Schalteingang-/Schalteingänge des elektronischen Schaltters/der elektronischen Schalter an eine Steuerleitung/Steuerleitungen geführt ist/sind, während ein weiterer Eingang/weitere Eingänge des elektronischen SchaltersVder elektronischen Schalter an eine Leitung/Leitungen mit stabilisierter Spannung angeschlossen ist/sind.

Gemäss der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der/die elektronische/n Schalter ein Transistor/en, ein Reed-Relais oder ein Solid State-Relais ist/sind. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Kapazitätswert des Steuerkondensators entweder das

K
9x10 " fache des Kapazitätswertes des Ladekondensators beträgt, wobei K eine ganze Zahl ist, oder ein um Eins vermindertes ganzzahliges Zehnerpotenzfaches des Kapazitätswertes des Ladekondensators ist. ES ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Leitung/Leitungen mit stabiler Spannung mit der Leitung /den Leitungen mit stabilisierter Spannung verbunden

ist/sind.

Die Erfindung wird anhand von Figuren ausführlicher erläutert, wobei in der Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung und ein Zeitdiagramm der Funktion der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung dargestellt sind.

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemässen Strom-Impuls-Konverters mit veränderbarer Zeitkonstante und ■

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der Funktion der in Fig. dargestellten Schaltungsanordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung hat folgenden Aufbau. An eine Eingangsleitung b des aus einem Ladekondensator 11 einer digitalen Torschaltung und einem Rückkopplungsglied 13 aufgebauten Strom-Impuls-• -Konverters ist mindestens eine Reihenschaltung eines Steuerkondensators/Steuerkondensatoren IAa-IAn und eines elektronischen Schalters/elektronischer Schalter 15a-15n angeschlossen. Der andere Anschluss/die anderen Anschlüsse des elektronischen Schalters/der elektronischen Schalter 15a-15n ist/sind an eine Leitung/an Leitungen el-en mit stabilisierter Spannung angeschlossen. Eingänge des elektronischen Schalters /der elektronischen Schalter 15a-15n sind an eine Steuerleitung/ an Steuerleitungen vl-vn geführt.

Die Funktion der Schaltungsanordnung ist anhand des in Fig. 2 dargestellten Zeitdiagramms leichter zu verstehen. Der elektronische Schalter/die elektronischen Schalter lSa-15n ist/sind in Ausgangsstellung in geöffnetem Zustand,' somit hat/haben der Steuerkondensator/die Steuerkondensatoren IAa-IAn keinerlei

Einfluss auf die Funktion des Strom-Impuls-Konverters. Mit Ansteigen eines zu messenden Stromes I wächst proportional die Betriebsgeschwindigkeit des Konverters. Bei Erreichen der durch die endliche Schaltgeschwindigkeit der aktiven Elemente der Schaltung bedingten oberen Grenze erfolgt die Einschaltung des elektronischen Schalters 15a über die Steuerleitung vl. Die erwähnte obere Grenze der Geschwindigkeit wird durch die Schaltzeit T der

aktiven Elemente, die Aufladezeit T_fc des Ladekondensators 11 und die sich daraus ergebende \7%"-ige Messunsicherheit

bestimmt,
beträgt:

Die maximale Geschwindigkeit f /imp s" /

*x =

^max T_t lOO'Ts

Während der Schaltung verbindet der elektronische Schalter 15a den Steuerkondens.ator IAa mit der Leitung el mit stabilisierter Spannung, wodurch die Zeitkonstante

K
der Schaltung auf das 10 -fache ansteigt, bzw. sich dementsprechend die Betriebsgeschwindigkeit auf einen 10 -ten Teil verringert. In Fig. 2 ist ersichtlich, dass während ein Aufladezyklus am Ladekondensator 11 vor der Umschaltung eine Zeitdauer T. beansprucht, ein Auflade-

zyklus nach der Umschaltung eine Zeitdauer von 10 · T.

beansprucht. Wird nun danach der zu messende Strom I weiter erhöht, steigt erneut die Betriebsgeschwindigkeit des Konverters an und nacheinander erfolgt über die Steuerleitungen v2, v3...vn die Einschaltung der elektronischen Schalter 15b, 15c...15n. Dementsprechend erhöht sich ordnungsgemäss auch die Zeitkonstante auf

- ψ-

Einfluss auf die Funktion des Strom-Impuls-Konverters. Mit Ansteigen eines zu messenden Stromes I wächst proportional die Betriebsgeschwindigkeit des Konverters. Bei Erreichen der durch die endliche Schaltgeschwindigkeit der aktiven Elemente der Schaltung bedingten oberen Grenze erfolgt die Einschaltung des elektronischen Schalters 15a über die Steuerleitung vl. Die erwähnte obere Grenze der Geschwindigkeit wird durch die Schaltzeit T der aktiven Elemente, die Aufladezeit T. des Ladekondensators 11 und die sich daraus ergebende \-?%-ige Messunsicherheit bestimmt.

Die maximale Geschwindigkeit f /imp s~ /

ΓΠ3-Χ

beträgt:

ι \r

15 f,

^max Ί\ 100-T-s

Während der Schaltung verbindet der elektronische Schalter 15a den Steuerkondensator 14a mit der Leitung el mit stabilisierter Spannung, wodurch die Zeitkonstante

K
der Schaltung auf das 10 -fache ansteigt, bzw. sich dementsprechend die Betriebsgeschwindigkeit auf einen

K
10 -ten Teil verringert. In Fig. 2 ist ersichtlich, dass während ein Aufladezyklus am Ladekondensator 11 vor der Umschaltung eine Zeitdauer T beansprucht, ein Auflade-

K zyklus nach der Umschaltung eine Zeitdauer von 10 · T_fc beansprucht. Wird nun danach der zu messende Strom I weiter erhöht, steigt erneut die Betriebsgeschwindigkeit des Konverters an und nacheinander erfolgt über die Steuerleitungen v2, v3...vn die Einschaltung der elektronischen Schalter 15b, 15c...15n. Dementsprechend erhöht sich ordnungsgemäss auch die Zeitkonstante auf

Ψ -

das 10^2Κ, 10^3K,...10ⁿ*^K-fache.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass nach dem Einschalten des elektronischen Schalters 15n der Äufladezyklus am Ladekondensator erneut eine Zeitdauer von

K
10 T. beansprucht.

Als Beispiel sei die Kapazität des Ladekondensators 10 pF, die obere Grenzspannung U+ des Aufladezyklusses 5V und die untere Grenzspannung U-. sei 2V, desweiteren die gemeinsame Schaltzeit T_ der digitalen Torschaltung 12 sowie des Rückkopplungsgliedes 13 betrage 500 ns, die 1/%-ige Messunsicherheit sei 1%.

In diesem Falle beträgt die Geschwindigkeit

f = = 2ö khz

max 100x500x10 ^y .

Dem entspricht ein maximaler zu messender ^ Strom von:
20

¹In = ^fmax ' ^/U ₊ - ^U-^{/! 10} * ¹⁰"¹² = °'⁶ /^uA

Wenn K einen Wert von 1 hat, kann der Messbereich des Konverters in Abhängigkeit von 'der Anzahl der Steuerkondensatoren 14a-14n auf 6 ,uA, 60 ,uA.... usw. erweitert werden.

Eine weitere Ausführungsform· der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung soll ebenfalls anhand von Fig. 1 erläutert werden, bei der der elektronische Schalter/die elektronischen Schalter 15a-15n vorzugsweise ein Transistor/Transistoren, Reed-Relais oder Solid State-Relais ist/sind.

Bei Verwendung von pnp-Transistoren /Transistor als elektronische/r Schalter 15a-15n wird der Kollektor- -Anschluss des Transistors/der Transistoren an den Steuerkondensator/ an die Steuerkondensatoren IAa-IAn angeschlossen, wahrend der Emitter /die Emitter an eine Leitung/ an Leitungen el-en mit - vorzugsweise mit der Speisespannung übereinstimmender - stabilisierter Spannung, angeschlossen wird/werden. Der Eingang/die Eingänge wird/werden durch die Basis des Transistors/der Transistoren gebildet, diese ist/sind ordnungsgemäss an . die Steuerleitung/Steuerleitungen vl-vn zu schalten, in denen das den Schalter betätigende negative Signal ankommt.

Bei Verwendung von npn-Transistoren, ist der Emitter/sind die Emitter an die Leitung mit - vorzugsweise mit der O-Spannung übereinstimmenden - stabilen Spannung anzuschliessen. Das den/die Schalter betätigende Signal ist in diesem Falle positiv.

Bei Verwendung von Reed-Relais ist einer der Reed-Kontakte an den Steuerkondensator/an die Steuerkondensatoren IAa-IAn, und der andere an die Leitung mit vorzugsweise mit der O-Spannung übereinstimmenden stabilen Spannung c anzuschliessen. Ein Anschluss der den Eingang des Reed-Schalters/der Reed-Schalter bildenden Zugspule/n ist ebenfalls an die Leitung mit O-Spannung angeschlossen, während ein anderer Anschluss an die Leitungen vl-vn angeschlossen wird, über die das den Schalter betätigende positive oder negative Signal ankommt.

Die Vorteile der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung eines Strom-Impuls-Konverters können folgenderweise zusammengefasst werden: - Die Schaltung ist ausserordentlich einfach,

die Anzahl der Elementen ist gering, hohe Zuverlässigkeit der Erweiterung des Funktionsbereiches eines Strom-Impuls-Konverters um mehrere, /minimal um zwei Grössenordnungen. ·

Claims

Patentansprüche

Schaltungsanordnung eines Strom-Impuls- -Konverters mit veränderbarer Zeitkonstante, die mit einer digitalen Torschaltung, einem Rückkopplungsglied und einem Ladekondensator versehen ist, wobei ein Ausgang der digitalen Torschaltung an einen Eingang des Rückkopplungsgliedes angeschlossen ist, während ein Eingang der digitalen Torschaltung mit dem Ladekondensator und einem Ausgang des Rückkopplungsgliedes verbunden ist, und der andere Anschluss des Ladekondensators an eine Leitung mit stabiler Spannung, - im Wesentlichen an eine geerdete Leitung - geführt ist, dadurch gekennzeichnet , dass der Strom-Impuls-Konverter mit veränderbarer Zeitkonstante weiterhin mit mindestens einer Reihenschaltung eines Steuerkondensators/14a-l4n/ und eines elektronischen Schalters/15a-15n/ versehen ist, wobei die anderen Anschlüsse der Steuerkondensatoren/TAa- -IAn/ über eine Eingangsleitung/b/ an einen Eingang .der digitalen Torschaltung /12/ geführt sind, dass weiterhin ein Schalteingang /Schalteingänge des elektronischen. Schalters /der elektronischen Schalter /15a-15n/ an eine Steuerleitung/Steuerleitungen /vl-vn/ und weitere Eingänge der elektronischen Schalter/15a-15n/ an eine Leitung /Leitungen/el-en/ mit stabilisierter Spannung angeschlossen sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schalter /15/ vorzugsweise ein Transistor,'-ein Reed-Relais oder ein Solid State-Relais ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,

/ft

dadurch gekennzeichnet, dass der KapazitStswert des Steuerkondenzators /Steuer-

K
kondenzatoren/ /14/ das 9*10 -fache des Kapazitätwertes

des Ladekondenzators /11/ /wobei K eine ganze Zahl ist/ 5 oder um eins verminderte ganzzahlige Zehnerpotenz beträgt.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung/Leitungen/el-en/ mit stabilisierter Spannung mit der Leitung/den Leitungen mit stabiler Spannung /c/ verbunden ist/sind.