DE4106641C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einer Integrierstufe, deren Eingang mit einer der umzu­ setzenden Spannung entsprechenden Größe beaufschlagbar ist und deren Ausgangssignal auf eine Schwellwerteinrichtung geführt ist, die bei Schwellwertüberschreitung einen Impulsgenerator zur Abgabe eines Impulses veranlaßt, der durch Rückkopplung auf den Eingang der Integrierstufe ein Rücksetzen des Ausgangs­ signals bewirkt, so daß die Frequenz der abgegebenen Impulse der umzusetzenden Spannung proportional ist.

Bei einem derartigen bekannten ("A/D- und D/A-Wandler"; Eckl, Pütgens, Walter, München, Franzis-Verlag 1980, Seiten 11 bis 13) Spannungs/Frequenz-Umsetzer ist eine Integrierstufe von einem als Integrator beschalteten Operationsverstärker gebil­ det, an dessen Eingang eine der umzusetzenden Spannung ent­ sprechende Größe anlegbar ist. Der Ausgang des Integrators ist auf eine Schwellwerteinrichtung geführt, die einen Impuls­ generator beaufschlagt. Der Impulsgenerator gibt bei schwell­ wertübersteigenden Ausgangssignalen des Integrators jeweils Impulse mit einer bestimmten, konstanten Dauer ab. Die abge­ gebenen Impulse steuern eine Stromquelle derart, daß bei Auftreten eines Impulses eine Entladung einer Integrator-Ka­ pazität und damit ein Rücksetzen des Ausgangssignals der In­ tegrierstufe erfolgt. Die Anzahl der abgegebenen Impulse pro Zeiteinheit (Impulsfrequenz) ist ein Maß für die umzusetzende Spannung.

Die Linearität des bekannten Spannungs/Frequenz-Umsetzers wird entscheidend von dem Integrations- bzw. Rücksetzverhalten der Integrierstufe bestimmt, so daß an die Linearität der Aufla­ dung bzw. Entladung der Integrator-Kapazität hohe Anforderun­ gen zu stellen sind. Außerdem muß die Schwellwerteinrichtung eine möglichst frequenzunabhängige Ansprechcharakteristik aufweisen. Diese Bedingungen lassen sich oberhalb einer Fre­ quenz von ca. 100 kHz nur noch mit einem hohen schaltungs­ technischen Aufwand unter Verwendung hochwertiger, teurer Bauelemente erfüllen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Span­ nungs/Frequenz-Umsetzer zu schaffen, der sich bei einfachem Aufbau durch eine hohe Linearität, insbesondere in hohen Frequenzbereichen auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Spannungs/Fre­ quenz-Umsetzer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der einen Integrierstufe eine weitere Integrierstufe vorgeord­ net ist, die eingangsseitig mit der umzusetzenden Spannung und in Gegenkopplung mit den abgegebenen Impulsen beaufschlagt ist. Die weitere Integrierstufe weist vorzugsweise eine sehr hohe Verstärkung auf. Die weitere Integrierstufe bildet einen arith­ metischen Mittelwert, der zur Frequenz der abgegebenen Impulse proportional ist. Das Ausgangssignal der weiteren Integrier­ stufe steigt gemäß der umzusetzenden Spannung zunächst an, bis der arithmetische Mittelwert der umzusetzenden Spannung ent­ spricht. Dieses Ausgangssignal nimmt dann einen konstanten, der umzusetzenden Spannung entsprechenden Wert an. Durch die auf diese Weise gebildete frequenzproportionale analoge Gegenkopp­ lung werden in vorteilhafter Weise Einflüsse von Nichtlineari­ täten der einen Integrierstufe und ein Einfluß der Frequenz­ abhängigkeit der Schwellwerteinrichtung eliminiert. Der er­ findungsgemäße Spannungs/Frequenz-Umsetzer kann mit handels­ üblichen C-MOS-Bausteinen und Operationsverstärkern aufgebaut werden und zeichnet sich durch eine hohe Linearität von ca. 0,02% bis zu einer Frequenz von 1,2 MHz aus.

Es ist zwar aus der DE 27 13 443 C2 ein Analog-Digital-Wandler mit einer Schwellwerteinrichtung in Form eines Spannungsver­ gleichers mit nachgeordnetem Impulsgenerator als D-Flip-Flop bekannt, dessen Ausgangsimpulse über eine R/C-Kombination rückgekoppelt werden, jedoch erfolgt hier die Rückkopplung auf den Eingang des Spannungsvergleichers. Dem einen D-Flip-Flop ist ein weiteres D-Flip-Flop nachgeordnet, dessen das Aus­ gangssignal des bekannten Analog-Digital-Wandlers bildende Signal über eine weitere R/C-Kombination gefiltert auf den Eingang des Wandlers zurückgeführt wird. Bei dem bekannten Wandler ist das Verhältnis von Impulspausen zu Impulsen des Ausgangssignals der Amplitude des Eingangssignals proportional.

Ein besonders lineares Verhalten des erfindungsgemäßen Spannungs/ Frequenz-Umsetzers läßt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß die weitere Integrierstufe eine im Vergleich zu der einen Inte­ grierstufe um mindestens eine Größenordnung längere Integra­ tionszeit aufweist. Vorzugsweise ist die Integrationszeit der weiteren Integrierstufe um den Faktor 1000 größer als die der einen Integrierstufe.

Ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Spannungs/Frequenz-Umsetzers läßt sich dadurch erreichen, daß der Impulsgenerator ein monostabiler Vibrator ist.

Eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Spannungs/Fre­ quenz-Umsetzers besteht darin, daß die Schwellwerteinrichtung von einer Eingangsstufe des Impulsgenerators gebildet ist. Handelsübliche Impulsgeneratoren - beispielsweise ein monosta­ biler Vibrator oder ein mit einer Zeitbasis versehender bi­ stabiler Multivibrator - weisen Eingangsstufen auf, deren Ein­ gangsempfindlichkeit bei der halben Betriebsspannung liegt; diese Empfindlichkeit stellt einen geeigneten Schwellwert dar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit einer einzigen Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Spannungs/Frequenz-Umsetzer mit einer Integrierstufe 1, einer weiteren Integrierstufe 2, einer Schwellwerteinrichtung 3 und einem Impulsgenerator 4. Die weitere Integrierstufe 2 ist von einem als Integrator mit einer Kapazität 5 beschalteten Operationsverstärker 6 gebildet. Am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 6 ist eine umzusetzende Spannung U_e angelegt. Ein Ausgang 7 der weiteren Integrierstufe 2 beaufschlagt einen nichtinvertie­ renden Eingang 8 der einen Integrierstufe 1, die ebenfalls aus einem mit einer Kapazität 9 als Integrator beschalteten Opera­ tionsverstärker 10 gebildet ist. Ein Ausgang 11 der einen In­ tegrierstufe 1 gibt ein Ausgangssignal 12 ab, das die Schwell­ werteinrichtung 3 eingangsseitig beaufschlagt. Ausgangsseitig ist die Schwellwerteinrichtung 3 mit dem Impulsgenerator 4 verbunden, der von einem monostabilen Multivibrator gebildet ist. An einem Ausgangspunkt 16 des Spannungs/Frequenz-Umsetzers sind von dem Impulsgenerator 4 abgegebene und andeutungsweise dargestellte Impulse 17 konstanter Impulsbreite und -amplitude abgreifbar. Die Frequenz f der Impulse 17 ist ein Maß für die umzusetzende Spannung U_e. Die abgegebenen Impulse 17 werden über eine Rückkopplungsleitung 18 auf einen invertierenden Eingang 19 der einen Integrierstufe 1 geführt. Außerdem werden die Impulse 17 über eine Gegenkopplungsleitung 20 auf einen invertierenden Eingang 21 der weiteren Integrierstufe 2 ge­ führt, wobei die Impulshöhe zur Erhöhung der Eingangsempfind­ lichkeit des Spannungs/Frequenz-Umsetzers mittels eines von Widerständen 22 und 23 gebildeten Spannungsteilers vermindert ist. Die Integrationszeit der weiteren Integrierstufe 2 ist um den Faktor 1000 größer als die der einen Integrierstufe 1.

Gemäß der umzusetzenden Spannung U_e erhöht sich durch Inte­ gration zunächst die am Ausgang 7 der weiteren Integrierstufe 2 auftretende Spannung und beaufschlagt den nichtinvertierenden Eingang 8 der einen Integrierstufe 1. Erreicht deren Ausgangs­ signal 12 einen vorgegebenen Schwellwert der Schwellwertein­ richtung 3, so löst dies die Abgabe eines Impulses 17 durch den Impulsgenerator 4 aus. Der abgegebene Impuls 17 führt über die Rückkopplungsleitung 18 zur schnellen Entladung der Kapazität 9 und gleichzeitig erfolgt eine Integration des Impulses 17 durch den Kondensator 5 der weiteren Integrierstufe 2. Nach Beendi­ gung des Impulses 17 beginnt der Integrationsvorgang der einen Integrierstufe 1 erneut bis zur erneuten Abgabe eines Impulses 17 durch den Impulsgenerator 4. Schließlich erreicht der in der weiteren Integrierstufe 2 durch Integration gebildete arithme­ tische Mittelwert der abgegebenen Impulse 17 einen der umzu­ setzenden Spannung U_e entsprechenden Wert, so daß das Ausgangs­ signal der weiteren Integrierstufe 2 auf einem konstanten Wert verharrt. Gemäß diesem Ausgangssignal erfolgt die weitere Bildung der Impulse 17 durch die Integrierstufe 1 im Zusammen­ spiel mit der Schwellwerteinrichtung 3 und dem Impulsgenerator 4. Damit ist eine frequenzproportionale, analoge Gegenkopplung geschaffen, durch die Schwankungen der Linearität bei der Auf- bzw. Entladung der Kapazität 9 und frequenzabhängige Verände­ rungen des Schwellwertes der Schwellwerteinrichtung 3 ohne Einfluß auf die am Ausgangspunkt 16 auftretende Frequenz f der Impulse 17 bleiben.

Da der Impulsgenerator 4 eingangsseitig eine Mindestansprech­ spannung aufweist, nach deren Überschreiten erst ein Ausgangs­ impuls 17 generiert wird, kann die Schwellwerteinrichtung 3 entfallen und das Ausgangssignal 12 direkt auf den Eingang des Impulsgenerators 4 geführt sein. In diesem Fall ist der Schwellwert durch die Eingangsempfindlichkeit des Impulsgene­ rators 4 bestimmt.

Claims (4)

1. Spannungs/Frequenz-Umsetzer mit einer Integrierstufe (1), deren Eingang (8) mit einer der umzusetzenden Spannung (U_e) entsprechenden Größe beaufschlagbar ist und deren Ausgangs­ signal (12) auf eine Schwellwerteinrichtung (3) geführt ist, die bei Schwellwertüberschreitung einen Impulsgenerator (4) zur Abgabe eines Impulses (17) veranlaßt, der durch Rückkopplung auf den Eingang (19) der Integrierstufe (1) ein Rücksetzen des Ausgangssignals (12) bewirkt, so daß die Frequenz (f) der abgegebenen Impulse (17) der umzusetzenden Spannung (U_e) proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Integrierstufe (1) eine weitere Integrierstufe (2) vorgeordnet ist, die eingangsseitig mit der umzusetzenden Spannung (U_e) und in Gegenkopplung mit den abgegebenen Impulsen (17) beaufschlagt ist.

2. Spannungs/Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Integrierstufe (2) eine im Vergleich zu der einen Integrierstufe (1) um mindestens eine Größenordnung längere Integrationszeit aufweist.

3. Spannungs/Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (4) ein monostabiler Vibrator ist.

4. Spannungs/Frequenz-Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwerteinrichtung (3) von einer Eingangsstufe des Impulsgenerators (4) gebildet ist.