DE2154415B2 - Spannungsfrequenzumsetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsfrequenzumsetzer nach dem Dual-Slope-Prinzip, bei dem ein Kondensator proportional einer Eingangsspannung zwischen zwei vorgegebenen unterschiedlichen Spannungspegeln umgeladen wird Dabei steuert ein von der Dauer der Umladezeiten des Kondensators getasteter bistabiler Schaltkreis die Vorzeichenumkehr der Ladungsvorgänge des Kondensators.

Ein derartiger Spannungsfrequenzumsetzer ist beispielsweise in der deutschen Auslegeschrif* 12 38 068, Klasse 21 al 36/ÖÖ, beschrieben. .

Bei einem Spannungsfrequenzumsetzer der bekannten Art wird die zu messende Spannung in eine Impulsfolge überführt deren Frequenz der Eingangsspannung des Spannungsfrequenzwandlers direkt proportional ist Die innerhalb einer bestimmten Zeit in 6s einen Zähler eingezählten Impulse der Impulsfolge geben den über diese Zeit gemittelten Wert der Eingangsspannung an. Die Eingangsspannung wird also aber die Meßzeit integriert Bei Messungen mit derartigen Spannjjngsfrequenzumsetzern hängt die Meßgenauigkeit niebt nur vom Fehler dss Umsetzers an sich, sondern auch von der Dauer der Meßzeit und deren Toleranz ab. Die Dauer der Meßzeit muß so gewählt werden, daß die Zahl der in deu Zähler eingezählten Impulse größer ist als der Kehrwert der relativen Meßungenauigkeit Die Meßzeit kann ohne Ekibuße an Genauigkeit nur verkürzt werden, wenn Spannungsfrequenzumsetzer mit einer höheren Frequenz als bisher üblich geschaffen werden. Diese Aufgabe lag der Erfindung zugrunde.

Ein die gestellte Aufgabe lösender Spannungsfrequenzumsetzer, bei dem ein Kondensator eingangsspannungsproportional zwischen zwei vorgegebenen unterschiedlichen Spannungspegeln umgeladen wird, wobei ein von der Dauer der Umladezeiten getasteter bistabiler Schaltkreis die Vorzeichenumkehr der Ladungsvorgänge steuert ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet daß der bistabile Schaltkreis zusätzlich zwei dem Vor- bzw. Rückwärtszähleingang des Zählers eines Nachlaufkonverters für die gegebeneiifalls verstärkte Ladespannung des Kondensators vorgeschaltete UND-Gatter steuert und die Ausgänge der UND-Gatter über ein NOR-Gatter verknüpft sind, an dessen Ausgang eine Impulsfolge mit eingangsspannungsproportionaler Folgefrequenz anfällt

Die Rampen der Ladespannung des Kondensators werden mit Hilfe des Nachiaufkonverters in kleine Zeitintervalle aufgelöst deren mittlere Frequenz der Eingangsspannung proportional ist Der Spannungsfrequenzumsetzer nach der Erfindung hat deshalb eine feinere Auflösung und ist deshalb schneller und genauer als Spannungsfrequenzumsetzer nach dem Stande der Technik.

Zweckmäßig enthält der Nachlaufkonverter einen mit zwei vom Vorzeichen der Differenz seiner Eingangsspannungen abhängigen Ausgängen ausgestatteten Spannungsvergleicher für die Kondensatorspannung einerseits und die rückgeführte Nachlaufspannung andererseits. Die Nachlaufspannung wird in bekannter Weise aus einem Zähler mit nachgeschaltetem Digital-Analog-Umsetzer entnommen. Der bei die Nachlaufspannung überwiegender Kondensatorspannung signalführende Ausgang des Spannungsvergleichers ist mit einem zweiten Eingang des dem Vorwärtszähleingang des Zählers vorgeschalteten UND-Gatters verbunden, und der bei die Kondensatorspannung überwiegender Nachlaufspannung signalführende Ausgang des Spannungsvergleichers ist an einen zweiten Eingang des dem Rückwärtszähleingang des Zählers vorgeschalteten UND-Gatters angeschlossen. An dritten Eingängen der UND-Gatter liegt der Ausgang eines Taktgenerators des Nachlaufkonverters.

Die Kondensatorumladung wird zweckmäßig durch zwei von der verstärkten Eingangsspannung gesteuerte Stromquellen unterschiedlicher Stromrichtung gesteuert die von Signalen aus zwei Ausgängen des bistabilen Schaltkreises abwechselnd ein- bzw. ausgeschaltet werden.

Die Erfindung wird anhand einer Figur, die ein Ausfuhrungsbeispiel in Blockdarstellung zeigt näher erläutert

An der Eingangsklemme eines Verstärkers Vl liegt eine Eingangsspannung UE Der Ausgang des Verstärken ist mit den Eingängen von zwei Stromquellen Q1 bzw. Q 2 verbunden, mit Hilfe derer die Eingangsspannung in proportionale Ströme von untereinander

verschiedener Richtung umgewandelt werden kann. Die Stromrichtung, die jeweils für die Umladung eines Kondensators Cl maßgeblich ist, wird von der jeweils eingeschalteten Quelle Ql bzw. Q 2 bestimmt Dazu werden die Quellen über Steuerleitungen L1 bzw. L 2 s von zwei Ausgängen eines bistat "ilen Schaltkreises Fl gesteuert Zwei Eingange des bistabilen Schaltkreises Fl sind mit den Ausgängen von zwei spannungsvergleichenden Verstärkern V3 bzw. V4 verbundea An zwei Eingängen jedes dieser spannungsvergleichenden Verstärker liegen einerseits die über einen Verstärker V2 verstärkte Ladespannung des Kondensators Ci und andererseits zwei vorgegebene Spannungspegel UK bzw. UO. Der bistabile Schaltkreis Fl ist so eingerichtet, daß seine beiden über die Leitungen L1 und L 2 nach außen geführten Schaltzustände davon abhängig sind, ob die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V2 kleiner als UO oder größer als der Spannungspegel UKist

Die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V 2 wird der Spannung am Kondensator C1 annähernd gleichgemacht, weil der hochohmige Verstärker V 2 den Verstärkungsfaktor 1 hat Wie in der Figur angedeutet, hat die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V 2 eine Dreiecksform mit einer konstanten Amplitude. Die Grundfrequenz der Dreiecksschwingung ist dabei der Eingangsspannung MEdirekt proportional.

Ein kleiner Obersetzungsfehler zwischen der Eingangsspannung UE und der Ausgangsspannung UA des Ve^tärkers V 2, der wegen der endlichen I Jmschaltgeschwindigkeit der Stromquellen Ql und Q 2 auftritt, wird dadurch gering gehalten, daß die Frequenz der Ausgangsspannung UA des Verstärkers Vl nicht größer als etwa 1OkHz gewählt wird. Die Länge der Rampen der dreieckfönnigen Spannung UA und damit die Umschaltfrequenz ändert sich analog mit der Spannung UE An den Ausgang des» Verstärkers V 2 ist der eine Eingang eines weiteren Spannungsvergleichers V 5 von großer Ansprechgeschwindigkeit angeschlossen. Der zweite Eingang dieses Spannungsvergleichers V5 ist an die Ausgangsspannung L/Deines Digital-Analog-Umsetzers DA Uangeschlossen. Die Ausgangsspannung UD des Digital-Analog-Umsetzers DAU ist proportional dem jeweiligen Zählerstand eines den Digital-Analog-Umsetzer DAUsteuernden Zählers Z1. Der Zähler Z1 ist ein bidirektionaler Zähler. Seine Vor- und Rückwärtszähleingänge sind mit den Ausgängen zweier UND-Gatter Gl bzw. G 2 verbunden. Die UND-Gatter weisen je drei Eingänge auf, je ein Eingang beider Gatter wird vom Ausgang eines Taktgenerators TG beaufschlagt Ein weiterer Eingang des UND-Gatters G1 ist mit einem Ausgang des Spannungsvergleichers VS verbunden, und zwar mit demjenigen Ausgang, der bei die rückgeführte Nachlaufspannung UD überwiegender Ausgangsspannung UA des Verstärkers Vl Signal führt Ein zweiter Eingang des UND-Gatters G 2 ist mit demjenigen Ausgang des Spannungsvergleichers V 5 verbunden, der bei die Ausgangsspannung UA des Verstärken Vl überwiegender Nachlaufspannung UD Signal führt Jeweils dritte Eingänge der UND-Gatter G1 und G 2 sind mit den beiden die jeweiligen Schaltzustände des bistabilen Schaltkreises Fl übermittelten Leitungen verbunden. Die Ausgänge der UND-Gatter Gl und G 2 sind außerdem mit den beiden Eingängen eines NOR-Gatters G 3 verbunden, an dessen Ausgang eine Impulsspannung UP abgenommen werden kann, deren Frequenz der Eingangsspannung UEproportional ist

Die Wirkungsweise der Schaltung wird im folgenden erläutert Steigt die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V2, so wird durch die dann vorliegende Schaltstellung des bistabilen Schaltkreises Fl das UND-Gatter G1 freigegeben. Der Zähler Z1 bekommt in diesem Falle Impulse des Taktgenerators TG über seinen Vorwärtszähleingang. Die rückgefühlte Nachlaufspannung UD am Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers DAU nimmt dabei kontinuierlich zu, solange UA>UD ist Immer wenn von den beiden im Spannungsvergleicher V5 verglichenen Spannungen UA<UD ist führt der Ausgang UA>UD des Spannungsvergleichers V5 kein Signal, deshalb sind beide Gatter Gl und G 2 gesperrt der Zählerstand steigt nicht an. Überwiegt dann UA wieder UD, so wird durch weiteres Vorwärtszählen des Zählers Zl die Spannung UD der Spannung UA weiter nachgeführt In der zweiten Phase, wenn die Ausgangsspannung UA des Verstärkers V2 abfällt zählt der Zähler Zl rückwärts. Die Nachlaufspannung UD nimmt dabei ab. Solange UA < UD ist bekommt der Zähler Z1 Zählimpulse über das UND-Gatter G 2, also über seinen Rückwärtszähleingang. Somit wird auch in dieser Phase die Spannung UD der Spannung UA andauernd nachgefahren.

Wenn die Taktfrequenz genügend groß ist so ist die Anzahl der Zählimpulse, die auf jede Phase entfallen, konstant denn in jeder Phase wird immer die Anzahl von Impulsen ermittelt die der Größe der Differenz der beiden Spannungspegel UK und UO entspricht Die Zeitdauer der Umladephasen ändert sich dagegen mit der Eingangsspannung UE. Wenn die Anzahl der Zählimpulse in jeder Umladephase konstant ist, muß die mittlere Frequenz der Zählimpulse der Zeitdauer der Umladephasen direkt proportional sein.

Bei der Dimensionierung eines Spannungsfrequenzumsetzers nach der Erfindung wird zweckmäßig die kürzeste Zeit einer Auf- bzw. Enüadephase der Spannung UA festgelegt. Diese Zeit muß so gewählt werden, daß die Umschaltzeiten der Quellen Q1 und Q 2 nicht ins Gewicht fallen. Als Umschaltzeiten der Quellen können bei derzeitig zur Verfügung stehenden Bauelementen einige ns vorausgesetzt werden. Dann sollte bei einer angestrebten Genauigkeit von besser als 0,1% die kürzeste Zeitdauer einer Umladephase größer als einige us sein. Werden beispielsweise für diese Zeit 50 μβ veranschlagt dann bekommt die dreieckförmige Spannung UA eine Grundfrequenz von 1OkHz. Wird weiter angenommen, daß bei einem ausgeführten Beispiel der Nachlaufkonverter die Amplitude von UA in 1024 Schritten (10 Bit) nachfahren soll, dann muß eine Einheit des Digital-Analog-Umsetzers

DAl

UK
1024

sein. Seine Einstellzeit ist dann kleiner als

50 as
1024

50 ns.

Dementsprechend muß der Taktgenerator TG Impulse liefern, die eine etwas höhere Folgefrequenz als 20 MHz haben. Durch weitere Dimensionierungsmaßnahmen kann erreicht werden, daß die Amplitude der Spannung UA genau 1024mal so groß ist wie eine Spannungseinheit die auf eine Einheit des Zählers Zl entfällt Mit einem so dimensionierten Spannungsfrequenzumsetzer ist eine Genauigkeit von erheblich besser als 0,1% zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Spannungsfrequenzumsetzer, bei dein ein Kondensator eingangsspannungsproportional zwischen zwei vorgegebenen unterschiedlichen Spannungspegeln umgeladen wird, wobei «in von der Dauer der Umladezeiten getasteter bisitabiler Schaltkreis die Vorzeichenumkehr der Ladungsvorgänge steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabile Schaltkreis (Fi) zusätzlich zwei dem Vor- bzw. Rückwärtszäbleingang des Zählers (Zl) eines jNachlaufkoBverters für die gegebenenfalls verstärkte Ladespannung (UA) ues Kondensators (Ci) vorgeschaltete UND-Gatter (Gi bzw. G 2) steuert und die Ausgänge der UND-Gatter (Gl, G 2) über ein NOR-Gatter (G 3) verknüpft sind, an dessen Ausgang eine Impulsfolge (UP) mit eingangsspannungsproportionaler Folgefrequenz anfällt

2. Spannungsfrequenzumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachlaufkonverter einen mit zwei vom Vorzeichen der Differenz seiner Eingangsspannungen (UA bzw. UD) abhängigen Ausgängen ausgestatteten Spannungsvergleicher (VS) für die Kondensatorspannung (UA) und die rückgeführte Nachlaufspannung (UD) enthält, deren einer, bei überwiegender Kondensatorspannung signalführender, mit einem zweiten Eingang des dem Vorwärtszähleingang des Zählers (Zi) vorgeschalteten UND-Gatters (G 1) verbunden und deren anderer, bei überwiegender Nachlaufspannung (UD) signalführender, an einen zweiten Eingang des dem Rückwärtszähleingang des Zählers (Z 1) vorgeschalteten UND-Gatters (G 2) angeschlossen ist

3. Spannungsfrequenzumsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dritten Eingängen der UND-Gatter (Gi und G 2) der Ausgang eines Taktgenerators (TU)lKgt.

4. Spannungsfrequenzumsetzer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dart die verstärkte Eingangsspannung (UE) zwei Stromquellen (Qi, Qi) unterschiedlicher Stromrichtung steuert die von Signalen aus zwei Ausgängen des bistabilen Schaltkreises (Fl) abwechselnd ein- bzw. ausgeschaltet sind und deren Ströme den Kondensator (Ci) umladen.