DE3719505A1 - Freuquenz/spannungswandler - Google Patents

Description

Frequenz/Spannungswandler haben die Aufgabe, Signale ei­ ner bestimmten Frequenz in entsprechende Spannungssignale umzuwandeln. Frequenz/Spannungswandler arbeiten beispiels­ weise nach dem Ladepumpenprinzip. Dabei wird ein Signal bestimmter Frequenz, die zu bestimmen ist, in eine Span­ nung umgewandelt, die der zu bestimmenden Frequenz ent­ spricht. Lädt man einen Kondensator kleiner Kapazität auf eine Referenzspannung, so nimmt der Kondensator bei der Aufladung auf die Referenzspannung eine definerte La­ dungsmenge auf. Der für die Ladung erforderliche Strom wird einerseits dem auf die Referenzspannung aufzuladen­ den Kondensator (Pumpenkondensator) und andererseits ei­ nem RC-Integrationsglied über je eine Stromquelle zuge­ führt. Je häufiger der Pumpenkondensator in der Zeitein­ heit umgeladen wird, desto mehr Ladungseinheiten werden auf das RC-Glied übertragen. Die Anzahl der Umladezyklen pro Zeiteinheit entspricht der zu bestimmenden Frequenz, und die Ladungsmenge des Kondensators multipliziert mit der Anzahl der Umladezyklen führt zu einer Spannung am RC-Glied, die der zu bestimmenden Frequenz entspricht.

Die Fig. 1 zeigt einen bekannten Frequenz/Spannungswand­ ler mit einem Schmitt-Trigger STR am Eingang, dem das in ein Spannungssignal umzuwandelnde Eingangssignal f _ein zu­ geführt wird. Der Pumpenkondensator C 1 wird jeweils auf die an dem Schalter S 1 liegenden Referenzspannungen umge­ laden. Je häufiger der Pumpenkondensator C 1 in der Zeit­ einheit umgeladen wird, desto mehr Ladungseinheiten wer­ den auf das RC-Glied R 2 C 2 am Ausgang übertragen. Die Spannung am RC-Glied R 2 C 2 entspricht der Frequenz des Eingangssignals f _ein . Der Lade- und Entladevorgang des Pumpenkondensators C 1 wird durch den Schalter S 1 gesteue­ ert. Zwischen dem Schalter S 1 und dem RC-Glied R 2 C 2 ist ein Stromspiegel SSP angeordnet. Der Widerstand R 1 be­ grenzt den Umladestrom des Kondensators C 1.

Bei einfachen Heimwerkergeräten z. B. steht für eine in­ tegrierte Drehzahlerfassung oft nur ein sehr schlechtes, von Störungen überlagertes Eingangssignal für die in sol­ chen Geräten eingesetzten Frequenz/Spannungswandler zur Verfügung. Um höherfrequente Störungen zu unterdrücken, kann man beispielsweise den Widerstandswert des Wider­ standes des RC-Gliedes vergrößern. Eine solche Lösung führt jedoch zu Problemen, wenn ein größerer Eingangsfre­ quenzbereich verarbeitet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenz/ Spannungswandler anzugeben, der Störungen besser unter­ drückt, als dies bei bekannten Frequenz/Spannungswandlern der Fall ist. Diese Aufgabe wird bei einem Frequenz/Span­ nungswandler mit einem Ladepumpenkondensator nach der Er­ findung dadurch gelöst, daß dem Ladepumpenkondensator Um­ ladeströme zugeführt werden, die mit zunehmender Frequenz des umzuwandelnden Eingangssignals wachsen und die mit abnehmender Frequenz des umzuwandelnden Eingangssignals abnehmen, wobei die Umladeströme des Eingangssignals ei­ nerseits so klein wie möglich gehalten werden, um Störun­ gen des Eingangssignals zu unterdrücken, andererseits aber so groß gehalten werden, daß im jeweiligen Nutzfre­ quenzbereich während einer Halbperiode des Eingangssi­ gnals ein volles Umladen des Ladepumpenkondensators auf eine Referenzspannung gewährleistet ist.

Beim Frequenz/Spannungswandler nach der Erfindung ist ei­ ne Stromquelle vorgesehen, die einen von der Ausgangs­ spannung des Frequenz/Spannungswandlers abhängigen Strom liefert. Diese Stromquelle steuert zwei Stromspiegel an, von denen der eine Stromspiegel als Ladestromquelle für den Ladepumpenkondensator und den Kondensator eines am Ausgang des Frequenz/Spannungswandlers vorgesehenen inte­ grierten RC-Gliedes dient, während der andere Stromspie­ gel den Entladestrom für den Ladepumpenkondensator lie­ fert. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist noch eine weitere Stromquelle vorgesehen, die einen konstan­ ten Mindest-Anfangsstrom für die beiden Stromspiegel lie­ fert. Welcher der beiden Stromspiegel gerade Strom lie­ fert, wird durch eine Steuerlogik sowie durch zwei Schal­ ter vorgegeben, die von der Steuerlogik angesteuert wer­ den. Die Steuerlogik selbst erhält ihre Information von zwei Schmitt-Triggern.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbei­ spiel erläutert.

Fig. 2 zeigt ein typisches Eingangssignal eines Fre­ quenz/Spannungswandlers, welches z. B. vom Ausgang eines Tachogenerators stammt, der zur Drehzahlerfassung eines Motors dient. Auf die in der Fig. 2 dargestellten Schwel­ len U 1 und U 2 wird noch eingegangen.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Frequenz/Span­ nungswandlers nach der Erfindung. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die für die Umladung des Pumpenkonden­ sators C 1 dienenden Ströme (i 2, i 4) in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals f _ein gesteuert werden, und zwar in dem Sinn, daß diese Ströme (i 2, i 4) mit zu­ nehmender Frequenz des Eingangssignals f _ein größer und umgekehrt mit abnehmender Frequenz des Eingangssignals f _ein kleiner werden. Das Wachsen der Umladeströme (i 2, i 4) mit zunehmender Frequenz dient zur Beschleunigung der Umladevorgänge, während die Verringerung der Umladeströme (i 2, i 4) mit abnehmender Frequenz bewirkt, daß hochfre­ quente Störungen, deren Amplitude im Bereich der Amplitu­ de des Eingangs-Nutzsignals liegt, möglichst keine oder nur eine möglichst geringe Verfälschung des Ausgangssi­ gnals U _ist des Frequenz/Spannungswandlers bewirken. In der Schaltung der Fig. 3 bewirkt der Strom i 2 die Auf­ ladung und der Strom i 4 die Entladung des Kondensators C 2.

Realisiert wird das erfindungsgemäße Prinzip beispiels­ weise durch die Schaltung der Fig. 3. Die Stromquelle 1 der Schaltung der Fig. 3 liefert einen Strom i 1, der eine Funktion der Ausgangsspannung U _ist ist. Die von der Ausgangsspannung U _ist abhängige Stromquelle 1 und zweite Stromquelle 2, die einen geringen konstanten Anfangsstrom Io liefert, liefern zusammen einen Summenstrom, der zwei Stromspiegel ansteuert, und zwar den Stromspiegel 3 und den Stromspiegel 4. Der Stromspiegel 3 dient als Lade­ stromquelle für die Kondensatoren C 1 und C 2, wobei der Strom i 2 den Kondensator C 1 und der Strom i 3 den Konden­ sator C 2 lädt. Die beiden Ströme i 2 und i 3 sind gleich groß und haben die umgekehrte Polarität wie der Ausgangs­ strom i 4 des Stromspiegels 4, der ebenfalls durch die Stromquellen 1 und 2 gesteuert wird und als Entladestrom die Entladung des Kondensators C 1 bewirkt. Welcher der beiden Stromspiegel (3, 4) gerade Strom liefert, wird durch die Steuerlogik 5 und die beiden Schalter S 1 und S 2 vorgegeben. Die Steuerlogik 5 selber erhält ihre Informa­ tion von den beiden Schmitt-Triggern 6 und 7. Der Strom­ quelle 1 ist ein Verstärker 8 vorgeschaltet.

Der Frequenz/Spannungswandler der Fig. 3 funktioniert wie folgt. Der Schmitt-Trigger 7 am Eingang der Schal­ tung, der das Eingangssignal f _ein erhält, hat zwei Schalt­ schwellen, und zwar gemäß der Fig. 2 die Einschaltschwel­ le U 2 und die Ausschaltschwelle U 1. Gemäß diesen Schwel­ len erzeugt der Schmitt-Trigger 7 aus dem Eingangssignal f _ein ein in der Fig. 2 dargestelltes Impulssignal. We­ gen der beiden Schwellen U 1 und U 2 kann ein relativ klei­ ner, höherfrequenter Störspannungs-Rippel auf dem Ein­ gangs-Nutzsignal f _ein nicht zum hochfrequenten Ein- und Ausschalten des Schmitt-Triggers 7 führen.

Unterschreitet das Eingangssignal f _ein den Wert U 1 (Fig. 2), so wird der Schalter S 1 geöffnet und der Schalter S 2 geschlossen. Die Signale für das Öffnen und Schließen erhalten die Schalter von der Steuerlogik 5. Das Öffnen des Schalters S 1 und das Schließen des Schalters S 2 be­ wirken, daß der Kondensator C 1 durch den Strom i 4 aus dem Stromspiegel 4 entladen wird. Dieser Entladevorgang ist der Fig. 4 zu entnehmen, die den Verlauf des Eingangs­ signals f _ein , den Verlauf der Spannung U _{c 1} am Ladepumpen­ kondensator C 1 sowie den Verlauf der der Frequenz des Eingangssignals f _ein entsprechenden Ausgangsspannung U _ist zeigt. Der Entladevorgang des Kondensators C 1 beginnt ge­ mäß der Fig. 4 bei Unterschreiten der Referenzspannung U _{ref 1} am Schmitt-Trigger 7.

Überschreitet das Eingangssignal f _ein den Wert U 2, so wird der Schalter S 1 geschlossen. Ist die Bedingung U _{c 1} < U _{ref 2} erfüllt, so wird der Schalter S 2 geöffnet und der Kondensator C 1 wird durch den Strom i 2 des Stromspiegels 3 so lange aufgeladen, bis U _{c 1} gemäß der Fig. 4 den Wert U _{ref 1} am Schmitt-Trigger 6 erreicht. Durch die Ladung des Kondensators C 1 auf eine bestimmte Referenzspannung ist gewährleistet, daß die Lademenge bei jeder Ladung jeweils gleich bleibt. Wäre dies nicht der Fall, so würde man keine eindeutige Aussage und damit keine Ausgangsspannung erhalten, die der Frequenz des Eingangssignals eindeutig entspricht. Parallel zum Ladevorgang von C 1 wird der Kon­ densator C 2 des Istwert-Integrationsgliedes C 2 R 2 mittels des Stromes i 3 des Stromspiegels 3 aufgeladen, wobei i 2 = i 3 ist. Erreicht die Spannuhng U _{c 1} am Kondensator C 1 den Wert von U _{ref 1} (U _{c 1} = U _{ref 1}), so wird der Schalter S 2 über die Steuerlogik 5 geschlossen, der Ladevorgang von C 1 abgebrochen und das Integrationsglied C 2 R 2 über den Strom i _{R 2} langsam entladen. Nach dem Ladevorgang bleibt die Spannung U _{cy 1 am Kondensator C 2 so lange konstant, bis die Eingangsspannung f ein den Wert U 1 unterschreitet. Bei Unterschreiten von U 1 setzt wieder der Entladevorgang ein. Je höher die Spannung über dem RC-Glied am Ausgang des Frequenz/Spannungswandlers ansteigt - was bei zunehmender Frequenz des Eingangssignals der Fall ist -, desto größer wird der Strom der Stromquelle 1, die den Strom i 1 lie­ fert. Wegen der Beziehung i 2 = i 3 = Io + i 1 = - i 4 wer­ den bei zunehmendem Wert von U ist die Umladevorgänge für den Kondensator C 1 immer weniger Zeit in Anspruch nehmen. Bei geringerer Frequenz des Eingangssignals f ein und da­ mit verbundener geringerer Ausgangsspannung U ist wird bei höherfrequenten bzw. kurzen Störungen nur eine geringe Ladungsmenge auf das Integrationsglied C 2 R 2 übertragen. Bei entsprechender Dimensionierung von i 2 bzw. C 1 wird der Schnittpunkt der Spannung U c 1 mit der Referenzspan­ nung U ref 1 des Schmitt-Triggers 6 gemäß der Fig. 4 erst kurz vor Ende der positiven Halbwelle des Nenneingangs­ signals oder Nutzeingangssignals f ein erreicht, und zwar ungefähr bei 170° elektrisch. Auf diese Weise wird der Einfluß hochfrequenter Störungen maximal unterdrückt bzw. minimiert. Die Fig. 5 zeigt die Stromspiegel 3 und 4, die Stromquel­ le 1 und 2, die Schalter S 1 und S 2 sowie die Steuerlogik 5 im Detail. Nach der Fig. 5 besteht der Stromspiegel 3 aus den Transistoren T 2, T 3 und T 4, der Stromspiegel 4 aus den Transistoren T 6, T 7 und T 8, der Schalter S 1 aus dem Transistor T 5, der Schalter S 2 aus dem Transisor T 1, die Logik 5 aus dem Gatter G und den beiden Widerständen R 4 und R 5, die Stromquelle 1 aus dem Transistor T 12 und R 3, die Stromquelle 2 aus dem Stromspiegel T 10, T 11 und der Verstärker 8 aus den Transistoren T 9, T 1 und R 1. Die Schaltung der Fig. 5 funktioniert wie folgt. Unter­ schreitet das Eingangssignal f ein eine bestimmte Schwel­ le, nämlich gemäß Fig. 2 die Spannung U 1, so schaltet der Schmitt-Trigger 7 über R 5 den Transistor T 5 (S 1) hoch­ ohmig und über Gatter G und Rd 4 den Transisor T 2 (S 2) niederohmig. Das bedeutet, daß C 1 jetzt von dem Strom­ spiegel 4, bestehend aus T 6, T 7 und T 8, mit dem Stromwert i 4 entladen wird. T 1 schaltet die Ströme i 2 und i 3 da­ durch aus, daß der Stromspiegel aus T 2, T 3 und T 4 bloc­ kiert wird. I 4 fließt so lange, bis C 1 ganz entladen ist (U c 1 = 0). Die Größe von i 4 wird durch den Stromspiegel T 10/T 11 vor­ gegeben. Der wiederum liefert die Summe der beiden Strö­ me Io + i 1, wobei Io durch R 4 konstant vorgegeben ist, während i 1 in Abhängigkeit vom Ausgang des f/U-Wandlers U ist gesteuert wird. T 9 und R 1 dienen dabei der hochohmi­ gen Istwert-Auskopplung und der notwendigen Potentialver­ schiebung, um die U BE -Spannung von T 12 zu kompensieren. Überschreitet der Wert des Eingangssignales in der Folge den Wert U 2, dreht sich die Funktion um. Der Schmitt- Trigger 7 schaltet über R 5 und T 5 den Spiegel 4 und da­ mit i 1 aus und gibt über Gatter G, R 4 und T 1 den Spie­ 3 frei. Nun können die Ströme i 2 und i 3 fließen, die jeweils C 1 bzw. C 2 R 2 umladen. Dieser Ladevorgang mit i 2 für C 1 bzw. i 3 für C 2 R 2 wird so lange aufrechterhalten, bis U c 1 (die Spannung an C 1) die Schaltschwelle des Schmitt-Triggers 6 erreicht. Jetzt schaltet der Schmitt- Trigger 6 das Gatter G aus. Damit wird T 1 (S 2) über R 4 aktiviert und blockiert die Stromquelle 3, so daß i 2 und i 3 nicht mehr weiter fließen können. Das Potential an C 1 bleibt solange erhalten, bis f ein , das Eingangs­ signal von Schmitt-Trigger 7, wieder unter die Schwelle U 1 absinkt. C 2 wird in dieser Phase durch i R 2 geringfügig entladen. Im eingeschwungenen Zustand bei konstantem Eingangssignal f ein ist die Entladung durch i R 2 gleich groß wie die La­ dung durch den mit der Eingangsfrequenz von f ein puls­ weise fließenden Strom i 3.}

Claims (6)

1. Frequenz/Spannungswandler mit einem Ladepumpenkonden­ sator, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ladepumpenkonden­ sator Umladeströme zugeführt werden, die mit zunehmender Frequenz des umzuwandelnden Eingangssignals wachsen und die mit abnehmender Frequenz des umzuwandelnden Eingangs­ signals abnehmen, und daß die Umladeströme des Ladepum­ penkondensators einerseits so klein wie möglich gehalten werden, um Störungen des Eingangssignals möglichst weit­ gehend zu unterdrücken, andererseits aber so groß gehal­ ten werden, daß im jeweiligen Nutzfrequenzbereich während einer Halbperiode des Eingangssignals ein volles Umladen des Ladepumpenkondensators auf eine Referenzspannung ge­ währleistet ist.

2. Frequenz/Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Stromspiegel vorgesehen ist, der den Ladestrom für den Ladepumpenkondensator und für den Kon­ densator eines am Ausgang vorgesehenen integrierenden RC- Gliedes liefert.

3. Frequenz/Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Strom­ spiegel vorgesehen ist, der den Entladestrom für den La­ depumpenkondensator liefert.

4. Frequenz/Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine spannungsgesteu­ erte Stromquelle vorgesehen ist, die durch die Spannung am RC-Glied gesteuert wird, und daß die spannungsgesteu­ erte Stromquelle die beiden Stromspiegel steuert.

5. Frequenz/Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerlogik sowie zwei Schalter vorgesehen sind, die von der Steuerlogik angesteuert werden und die die Stromspiegel steuern.

6. Frequenz/Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schmitt-Trigger vorgesehen sind, die die Steuerlogik ansteuern, daß der eine Schmitt-Trigger am Eingang vorgesehen ist und das Eingangssignal erhält und daß der zweite Schmitt-Trigger von der Spannung über dem Ladepumpenkondensator gesteu­ ert wird.