DE3718305C1

DE3718305C1 - Circuit for monitoring the level of alternating-voltage signals

Info

Publication number: DE3718305C1
Application number: DE19873718305
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl-Ing Mittermaier
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1987-05-30
Filing date: 1987-05-30
Publication date: 1988-09-22

Abstract

In a circuit for monitoring the level of alternating-voltage signals which supplies a first potential when the level peaks of the alternating voltage signal at a digital output are below a predetermined level limit value and supplies a second potential when the level peaks exceed a level limit value, a Schmitt trigger is used, the positive-feedback voltage divider of which, determining the switching interval, can be switched over in dependence on the potential at the output of the digital output in such a manner that the Schmitt trigger exhibits a predetermined high switching interval at the first potential and a comparatively lesser switching interval at the second potential.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a circuit according to the preamble of Main claim.

Zur Pegelüberwachung von Gleichspannungssignalen sind sogenannte Fensterkomparatoren in den verschiedenartigsten Spezialschaltungen bekannt (DE 33 05 626 C1, DE 35 29 384 A1 oder Patent Abstracts of Japan, P-311 November 7, 1984 Vol. 8/No. 242). Sie verwenden meist rückgekoppelte Operationsverstärker, die als Schmitt-Trigger mit Hystereseverhalten arbeiten. Für das Feststellen des Absinkens einer Batteriespannung ist es auch bekannt, das Hystereseverhalten eines rückgekoppelten Operationsverstärkers dadurch zu erreichen, daß über das Ausgangssignal des Operationsverstärkers ein Spannungsteiler am Eingang des Operationsverstärkers mittels eines zusätzlichen Schaltelements umgeschaltet wird (o. a. Patent Abstracts of Japan).So-called for monitoring the level of DC voltage signals Window comparators in a wide variety of special circuits known (DE 33 05 626 C1, DE 35 29 384 A1 or Patent Abstracts of Japan, P-311 November 7, 1984 Vol. 8 / No. 242). You use mostly feedback operational amplifiers that act as Schmitt triggers work with hysteresis behavior. For determining the sinking a battery voltage it is also known the hysteresis behavior to achieve a feedback operational amplifier that about the output signal of the operational amplifier Voltage divider at the input of the operational amplifier by means of an additional switching element is switched (o. a. Patent Abstracts of Japan).

All diese bekannten Spannungskomparatoren sind nur für die Pegel überwachung von Gleichspannungen geeignet, sie könnten nur durch schaltungstechnisch aufwendige Zusatzschaltungen am Eingang für die Pegelüberwachung von Wechselspannungssignalen erweitert werden, beispielsweise durch Vorschalten eines Spitzenwertmessers, der infolge seiner Auf- und End-Ladezeitkonstanten und des zwangs läufigen Spannungsabfalls am Eingang zusätzliche Probleme mit sich bringen würde.All of these known voltage comparators are only for the levels Suitable for monitoring DC voltages, they could only be Circuitry-complex additional circuits at the input extended for level monitoring of AC voltage signals , for example by connecting a peak value meter, the one due to its loading and unloading time constants and the constraint current voltage drop at the input with additional problems would bring himself.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine im Aufbau einfache Schaltung zu schaffen, mit der auch Pegel von Wechselspannungs signalen überwacht werden können. It is therefore an object of the invention to have a simple structure To create circuit with which also levels of AC voltage signals can be monitored.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeich nende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen er geben sich aus den Unteransprüchen.This task is based on a circuit Preamble of the main claim characterized by its characteristics solved. Advantageous further training he give themselves from the subclaims.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist sehr einfach im wesent lichen nur aus einem bekannten Schmitt-Trigger aufgebaut, wobei durch die Umschaltbarkeit des Mitkopplungs-Spannungs teilers zusätzlich noch dafür gesorgt ist, daß der als Pegelgrenzwertschalter wirkende Schmitt-Trigger in Abhängig keit von dem erzeugten digitalen Ausgangssignal unter schiedliche Schaltabstände besitzt. Damit ist sicher gestellt, daß bei nahe den vorbestimmten Pegelgrenzwer ten schwankenden Wechselspannungssignalen der Ausgang nicht ständig hin- und herschaltet. Als Schmitt-Trigger eignen sich alle bekannten Schaltungen, als besonders vorteilhaft hat sich ein nicht-invertierender Schmitt- Trigger erwiesen, wie er beispielsweise in Tietze/Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 8. Auflage, Kapitel 8.5.2, S. 182 näher beschrieben ist, da mit einem solchen Schmitt-Trigger auf einfache Weise mit einem Exklusiv- Oder-Gatter die Umschaltung des Mitkopplungs-Spannungs teilers durchgeführt werden kann. Um aus dem mit der Frequenz der Eingangswechselspannung umgeschalteten Rechteck- Ausgangssignal des Schmitt-Triggers das gewünschte digi tale Ausgangssignal zu erhalten, wird am Ausgang des Schmitt-Triggers vorzugsweise ein retriggerbares Mono flop benutzt, das entsprechend der tiefsten Frequenz der zu überwachenden Wechselspannung so dimensioniert ist, daß es an seinem Digitalausgang ein erstes digitales Potential (low bzw. "0") liefert, wenn das Ausgangs signal des Schmitt-Triggers ständig ein hohes oder nied riges Ausgangspotential besitzt und nur dann das andere digitale Potential (high oder "1") liefert, wenn das Aus gangssignal des Schmitt-Triggers ein Wechselspannungs signal ist. Anstelle eines retriggerbaren Monoflops könnte gegebenenfalls auch ein wechselspannungsgekoppel ter Spitzenspannungsmesser benutzt werden, der ebenfalls diese Eigenschaft besitzt, ein Ausgangssignal "0" zu liefern, solange das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers gleichbleibend ist, und nur dann das Digitalpotential "1" liefert, wenn das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers eine Wechselspannung ist.The circuit according to the invention is very simple in essence only made up of a known Schmitt trigger, being due to the switchability of the positive feedback voltage is also made sure that the as Level limit switch acting Schmitt triggers depending speed of the generated digital output signal has different switching distances. So that is safe that near the predetermined level limits fluctuating AC voltage signals the output doesn't switch back and forth all the time. As a Schmitt trigger are all known circuits, as special A non-inverting Schmitt- Triggers have been proven, for example in Tietze / Schenk, Semiconductor circuit technology, 8th edition, chapter 8.5.2, P. 182 is described in more detail, as with such Schmitt trigger in a simple way with an exclusive Or gate switching the positive feedback voltage dividers can be performed. To get out of with the Frequency of the AC input switched rectangular Output signal of the Schmitt trigger the desired digi tale output signal is obtained at the output of the Schmitt triggers prefer a retriggerable mono uses flop that corresponds to the lowest frequency of the AC voltage to be monitored is dimensioned so that there is a first digital at its digital output Potential (low or "0") returns if the output signal of the Schmitt trigger constantly high or low output potential and only then the other digital potential (high or "1") returns when the off signal of the Schmitt trigger an AC voltage signal. Instead of a retriggerable monoflop could possibly also be an AC coupling ter voltmeter can be used, which also this property has an output signal "0" deliver as long as the output signal of the Schmitt trigger is constant, and only then the digital potential "1" returns when the output signal of the Schmitt trigger is an AC voltage.

Das Umschalten des Spannungsteilerverhältnisses des Mit kopplungs-Spannungsteilers zur Änderung des Schaltabstan des in Abhängigkeit vom digitalen Ausgangssignal kann mit einem entsprechend digital ansteuerbaren elektroni schen Schalter erfolgen, über den der eine Zweig des Spannungsteilers entsprechend umschaltbar ist. Dabei kann entweder der am Eingang liegende Widerstandszweig oder der zwischen Ein- und Ausgang des Verstärkerelements liegende Widerstandszweig entsprechend umschaltbar sein. Als besonders vorteilhaft hat sich ein nicht-invertierender Schmitt-Trigger erwiesen, bei dem der zwischen dem positiven Eingang und dem Ausgang des verwendeten Operationsverstär kers liegende Zweig des Spannungsteilers aus zwei parallel schaltbaren Widerständen besteht. Der elektronische Schal ter kann in diesem Fall ein einfaches Exklusiv-Oder-Gatter sein.Switching the voltage divider ratio of the Mit Coupling voltage divider to change the switching distance depending on the digital output signal with a corresponding digitally controllable electronics switch, via which one branch of the Voltage divider can be switched accordingly. Here can either the resistance branch at the input or between the input and output of the amplifier element horizontal resistance branch can be switched accordingly. A non-inverting has proven to be particularly advantageous Schmitt triggers proved that the between the positive Input and output of the operational amplifier used kers lying branch of the voltage divider from two in parallel switchable resistors. The electronic scarf In this case, a simple exclusive-OR gate can be used be.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is based on a schematic Drawing explained in more detail using an exemplary embodiment.

Das im Pegel zu überwachende Wechselspannungssignal S wird dem Eingang 2 eines nicht-invertierenden Schmitt-Triggers 3 zugeführt, dessen Mitkopplungs-Spannungsteiler aus einem eingangsseitigen Widerstand 4 und aus zwei parallel-schalt baren, zwischen Ein- und Ausgang des Operationsverstärkers 5 geschalteten Widerständen 6 und 7 besteht. Anstelle des Operationsverstärkers 5 könnte auch eine ent sprechende digitale Bufferschaltung vorgesehen sein. Der Ausgang 8 des Schmitt-Triggers ist mit dem Eingang 9 eines retriggerbaren Monoflops 10 verbunden, dessen Digitalaus gang 11 mit dem einen Eingang 12 eines Exklusiv-Oder-Gatters 13 verbunden ist. Der Ausgang 8 ist mit dem Widerstand 6 und dem anderen Eingang 14 des Exklusiv- Oder-Gatters 13 verbunden, der Ausgang 15 des Gatters 13 geht zum anderen Widerstand 7. Die beiden Widerstände 6 und 7 sind am Plus-Eingang des Operations verstärkers 5 mit dem anderen Widerstand 4 zusammenge schaltet.The level of the AC voltage signal S to be monitored is fed to the input 2 of a non-inverting Schmitt trigger 3 , whose positive feedback voltage divider consists of an input-side resistor 4 and two parallel-switchable resistors 6 and 6 connected between the input and output of the operational amplifier 5 7 exists. Instead of the operational amplifier 5 , a corresponding digital buffer circuit could also be provided. The output 8 of the Schmitt trigger is connected to the input 9 of a retriggerable monoflop 10 , the digital output 11 of which is connected to the one input 12 of an exclusive-OR gate 13 . The output 8 is connected to the resistor 6 and the other input 14 of the exclusive-OR gate 13 , the output 15 of the gate 13 goes to the other resistor 7 . The two resistors 6 and 7 are at the plus input of the operational amplifier 5 together with the other resistor 4 switches.

Wenn keine Eingangswechselspannung am Eingang 2 anliegt, liegt der Ausgang 8 des Schmitt-Triggers fest auf seiner oberen oder unteren Betriebsspannung (beispielsweise auf plus oder minus 5 V), das Monoflop 10 bleibt damit in seiner Ruhestellung, d. h. sein Q-Ausgang ist "0". Damit liegt auch am Eingang 12 des Exklusiv-Oder-Gatters 13 das digitale Potential "0", das Gatter 13 arbeitet also als Buffer, d. h. sein Ausgang 15 entspricht immer dem jeweiligen Digitalpotential des anderen Eingangs 14. Die Widerstände 6 und 7 sind also in dieser Ausgangs stellung über das Gatter 13 parallelgeschaltet, der zwi schen Ausgang 8 und Eingang 16 des Operationsverstärkers wirkenden Mitkopplungs-Widerstand ist also klein und der Schmitt-Trigger besitzt also einen großen Schaltabstand Δ U ₁.If there is no input AC voltage at input 2 , output 8 of the Schmitt trigger is fixed at its upper or lower operating voltage (for example at plus or minus 5 V), the monoflop 10 thus remains in its rest position, ie its Q output is "0 ". The digital potential "0" is thus also at the input 12 of the exclusive-OR gate 13 , the gate 13 thus works as a buffer, ie its output 15 always corresponds to the respective digital potential of the other input 14 . The resistors 6 and 7 are thus connected in parallel in this output position via the gate 13 , the positive feedback resistor acting between the output 8 and input 16 of the operational amplifier is thus small and the Schmitt trigger thus has a large switching distance Δ U ₁ .

Wenn nun die am Eingang 2 anliegende Wechselspannung S sehr groß ist und damit die Spitzen der Amplitude dieses Wechselspannungssignals diesen ersten vorbestimmten großen Pegelgrenzwert U ₁ überschreiten, so erscheint am Ausgang 8 des Schmitt-Triggers eine Recht eckspannung R mit der Frequenz der Eingangswechselspan nung und einer durch die Betriebsspannung des Schmitt- Triggers bestimmten Amplitude. Damit wird das Monoflop 10 fortlaufend getriggert und der Q-Ausgang 11 wird "1". If the AC voltage S present at input 2 is very large and the peaks in the amplitude of this AC voltage signal exceed this first predetermined large level limit value U ₁ , then a square-wave voltage R appears at output 8 of the Schmitt trigger with the frequency of the input AC voltage and one amplitude determined by the operating voltage of the Schmitt trigger. The monoflop 10 is thus triggered continuously and the Q output 11 becomes "1".

Das Monoflop 10 ist so dimensioniert, daß sein Q-Ausgang auch noch bei der minimalsten Frequenz der zu überwachenden Wechselspannung "1" bleibt. Für eine minimale Frequenz von beispielsweise 20 Hz ist die Zeitkonstante des Monoflops mindestens 50 ms. Mit dem Wechsel des Q-Ausgangs von "0" auf "1" wird auch der Eingang 12 des Gatters 13 entsprechend "1", das Exklusiv-Oder-Gatter wirkt also digital als Inverter, d. h. das Ausgangs signal am Ausgang 15 ist immer invertiert zum jeweiligen Eingangssignal am anderen Eingang 14. Dies bedeutet, daß der dem Eingang 14 zugeführte Strom I ₃ nunmehr zu -I ₃ invertiert wird, d. h. der wirksame Widerstand zwischen Ausgang 8 und Eingang 16 wird größer und damit wird auch der Schaltabstand des Schmitt-Triggers auf Δ U ₂ verringert. Wenn die Amplitude der zu überwachenden Wechselspannung unter die oberste Grenze U ₁ absinkt und die untere Grenze U ₂ noch nicht unterschreitet, wird über das damit weiter hin am Ausgang 8 erzeugte Rechteckspannungssignal R das Monoflop 10 getriggert, der Q-Ausgang bleibt also "1". Erst wenn der Pegel der Eingangswechselspannung den kleineren Grenzwert U ₂ unterschreitet, hört der Schmitt- Trigger 3 auf zu schalten, der Ausgang 8 bleibt also je nachdem, zu welchem Zeitpunkt das Umschalten aufhört, auf der oberen oder unteren Betriebsspannung ständig fest. Damit wird auch das Monoflop 10 nicht mehr ge triggert und sein Q-Ausgang 11 wechselt von "1" auf "0". Gleichzeitig wirkt auch das Gatter 13 nunmehr wieder als Buffer, die Widerstände 6 und 7 werden parallelgeschaltet und damit wird wieder automatisch auf den höheren Schalt abstand Δ U ₁ umgeschaltet. Die Pegelüberwachungsschaltung besitzt damit ein allein durch die Widerstände des Mit kopplungs-Spannungsteilers bestimmtes Hystereseverhalten mit zwei unterschiedlichen Schaltabständen, wodurch ein ständiges Hin- und Herschalten beispielsweise durch der Eingangsspannung überlagerte Störspannungen vermie den wird. Die Pegelüberwachungsschaltung kann als ein fache Pegelmeßstelle benutzt werden, über ihren digitalen Steuerausgang Q können außerdem entsprechende Schaltfunktionen in Abhängigkeit von der gerade anliegenden Wechselspannung durchgeführt werden.The monoflop 10 is dimensioned such that its Q output remains at "1" even at the minimum frequency of the AC voltage to be monitored. For a minimum frequency of 20 Hz, for example, the time constant of the monoflop is at least 50 ms. With the change of the Q output from "0" to "1", the input 12 of the gate 13 also becomes "1", the exclusive-OR gate thus acts digitally as an inverter, ie the output signal at the output 15 is always inverted to the respective input signal at the other input 14 . This means that the current I ₃ supplied to the input 14 is now inverted to - I ₃ , ie the effective resistance between the output 8 and the input 16 becomes larger and the switching distance of the Schmitt trigger is also reduced to Δ U ₂ . If the amplitude of the AC voltage to be monitored drops below the upper limit U ₁ and does not fall below the lower limit U ₂ , the monoflop 10 is triggered by the square-wave voltage signal R thus generated at output 8 , so the Q output remains "1" . Only when the level of the AC input voltage falls below the lower limit value U ₂ does the Schmitt trigger 3 stop switching, so the output 8 remains fixed at the upper or lower operating voltage, depending on the point in time at which the switching stops. So that the monoflop 10 is no longer triggered ge and its Q output 11 changes from "1" to "0". Simultaneously, the gate 13 now acts as a buffer again, the resistors 6 and 7 are connected in parallel and thus will again automatically at the higher switching interval Δ U ₁ switched. The level monitoring circuit thus has a hysteresis behavior determined solely by the resistances of the coupling voltage divider with two different switching distances, as a result of which a constant switching back and forth is avoided, for example by interference voltages superimposed on the input voltage. The level monitoring circuit can be used as a multiple level measuring point; via its digital control output Q , corresponding switching functions can also be carried out as a function of the AC voltage currently present.

Für die Dimensionierung der Widerstände 4, 6 und 7 gelten die in der Figur angegebenen Bedingungen in Abhängigkeit vom Q-Ausgang 11. Damit kann bei vorgegebenen gewünschten Schaltabständen U ₁ bzw. U ₂ und Berücksichtigung der Aus gangspegel des Operationsverstärkers 5 das jeweils nötige Widerstandsverhältnis auf einfache Weise berechnet werden.For the dimensioning of the resistors 4, 6 and 7 , the conditions given in the figure apply as a function of the Q output 11 . Thus, given the desired switching distances U ₁ and U ₂ and taking into account the output level of the operational amplifier 5, the respectively required resistance ratio can be calculated in a simple manner.

Claims

1.Circuit for level monitoring of alternating voltage signals, which supplies a first potential at level peaks of the AC voltage signal below a predetermined level limit at a digital output and a second potential at a predetermined level limit value at this digital output, characterized by a Schmitt trigger ( 3 ), whose positive feedback voltage divider ( 4, 6, 7 ) determines the switching distance ( Δ U ₁ , Δ U ₂ ) depending on the potential ("0" or "1") at the output (Q) of the digital output ( 11 ) can be switched such that the first potential ("0") of the Schmitt trigger ( 3 ) has a predetermined high switching distance ( Δ U ₁ ) and the second potential ("1") has a lower switching distance ( Δ U ₂ ) having.

2. Circuit according to claim 1, characterized in that the output ( 8 ) of the Schmitt trigger ( 3 ) is connected to the input ( 9 ) of a retriggerable monoflop ( 10 ), the digital output ( 11 ) of which is a positive feedback voltage divider ( 4, 6, 7 ) switching electronic switch ( 13 ) controls.

3. A circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the one branch of the positive feedback voltage divider consists of two with the branch point ( 16 ) connected resistors ( 6, 7 ) which can be connected in parallel via the electronic switch ( 13 ).

4. A circuit according to claim 3, characterized in that the electronic switch is an exclusive-OR gate ( 13 ), one input ( 12 ) of which has the digital output ( 11 ), the second input ( 14 ) of which has the output ( 8 ) of the Schmitt trigger ( 3 ) and its output ( 15 ) is connected to the second resistor ( 7 ).