DE2642397C3

DE2642397C3 - Analog-Frequenzwandler

Info

Publication number: DE2642397C3
Application number: DE2642397A
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl.-El.-Ing. Zug Petr
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1976-08-25
Filing date: 1976-09-21
Publication date: 1987-07-30
Also published as: GB1552074A; US4124821A; JPS6030451B2; CH601803A5; YU41075B; DE2642397B2; IT1084187B; FR2363237A1; YU197977A; DE2642397A1; NL7709420A; FR2363237B1; JPS5327352A; NL190086B; NL190086C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Frequenzwandhr der im Oberbejriff des Patentanspruchs genannten Art.

Analog-Frequenzwandler sind in mannigfaltigen Ausfuhrungsförmen bekannt. Bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit, z.B. für Anwendungen in statischen Elektrizitätszählern, werden heute das Ladungsmengenkompensationsverfahren und das Umladeverfahren vor anderen Methoden bevorzugt.

Beim Ladungsmengenkompensationsverfahren (z.B. bekannt aus Landis & Gyr-Mitteilungen, 13 [1972], 1, S. 13) wird der Meßstrom in einem Integrator integriert, und jeweils beim Erreichen einer bestimmten Integratorspannung wird dem Integrator eine konstante Kompensationsladung entzogen. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der zugcführten und der entzogenen Ludung ein, wobei die Anzahl Kompensationsladungen je Zeiteinheit zum Meßstrom proportional ist. Der Ladungsinhalt der einzelnen Kompensationsimpulse stellt eine Meßkonstante dar und kann mit einfachen Mitteln mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden. Hingegen sind besondere Maßnahmen erfordirlieh, um einen Leerlauf des Analog-Frequenzwandlers zu verhindern.

Beim Umladeverfahren (z.B. bekannt aus DE-OS 19 46 245) wird der Meßstrom ebenfalls in einem Integrator integriert; jeweils beim Erreichen eines bestimmten oberen Schwellenwertes und eines bestimmten unteren Schwellenwertes der Integratorspannung wird der Meßstrom umgepolt und dadurch die Integrationsnchtung umgekehrt. Die Anzahl Umladungen je Zeiteinheit ist zum Meßstrom proportional. Die Kapazität des Integratorkondensators sowie die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert stellen beim Umladeverfahren Meßkonstanten dar, die nur schwer mit der erforderlichen Langzeitstabilität konstant gehalten werden können. Dagegen wird ein Leerlauf des Analog-Frequenzwandlers selbsttätig verhindert. Beim Einsatz eines solchen Analog-Frequenzwandlcrs in einem statischen Elektrizitätszähler können von der Polaritätsumschaltung unabhängige Fehlerströme durch die periodische Polaritätsumschaltung teilweise kompensiert und dadurch der Meßbereich erweitert werden.

Ferner ist eine Anordnung zur Messung von Ortskoordinaten von Abgriffspunkten eines Spannungsteilers bekannt (CH-PS 493 077), bei der während eines Meßintervalls eine am Spannungsteiler abgegriffene Meßspannung und während eines Referenzintervalls eine Referenzspannung in einem Integrator integriert werden, wobei die Referenzspannung gegenüber der Meßspannung entgegengesetzte Polarität aufweist. Die Umschaltung von der Meßspannung auf die Referenzspannung und umgekehrt erfolgt immer beim gleichen Pegel der Ausgangsspannung des Integrators. Die Dauer des Referenzintervalls ist zur Meßspannung proportional, so daß die Wiederhol frequenz der dreieckförmigen Ausgangsspannung des Integrators bei zunehmender Meßspannung kleiner wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile des Ladungskompensationsverfahrens und des Umladeverfahrens zu vereinigen und somit einen Analog-Frequenzwandler zu schaffen, dessen Meßkonstante durch den Ladungsinhalt von Kompensationsimpulsen gegeben ist und bei dem Fehlerströme kompensiert werden sowie ein Leerlauf selbsttätig verhindert wird.

Die Erfindung besteht in den im Kennzeichen des Patentanspruchs bezeichneten Merkmalen. Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines statischen Leistungsmessers mit einem Analog-Frequenzwandler,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm des Analog-Frequenzwandlers nach der Fig. 1,

Fig. 3 eine Variante einer Steuerschaltung,

Fig. 4 ein Impulsdiagramm des Analog-Frequenzwandlers nach der Fig. 1 mit der Steuerschaltung nach der Fig. 3 und

Fig. 5 ein Schaltbild einer Zusatzeinrichtung.

In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Multiplikator, der einen Meßstrom I_M an den Eingang eines Analog-Frequenzwandlers 2 abgibt. Der Meßstrom l_M ist dem Produkt aus einer Spannung U und einem Strom / proportional. Der Multiplikator 1 weist einen Steuereingang 3 auf, an den ein Polaritütssignal P angelegt ist. Mit diesem Polaritätssignal kann das Vorzeichen der Multiplikation und damit die Polarität des Meßstromes /_&Lgr;, umgeschaltet werden. Die Polaritätsumschaltung kann in bekannter Weise z.B. durch Umpolung der Spannung U oder des Stromes / oder durch eine digitale Signalinversion im Multiplikator 1 erfolgen.

Der Analog-Frequenzwandler 2 besteht im wesentlichen aus einem Integrator 4, einer Steuerschaltung 5 und einem Kompensationsladungsgeber 6. Der Integrator 4 ist im dargestellten Beispiel durch einen Verstärker 7 und einen in dessen Rückkopplungskreis geschalteten Kondensator 8 gebildet.

Der Ausgang des Integrators 4 ist an einen Schwellenschalter 9 angeschlossen, der einerseits in bekannter Weise zur Auslösung der Ladungskompensationsimpulse dient und andererseits Bestandteil der das Polaritätssignal P erzeugenden Steuerschaltung 5 ist. Im Beispiel derFig 1 ist der Schwellenschalter 9 ein Spannungskompara'or mit einem einzigen Schwellenwert

Die Steuerschaltung 5 enthält ferner eine Kippstufe 10 mit zwei Eingängen Ii, 12 und einem Ausgang 13. Für diese Kippstufe, die aus einem ÄS-Flipflop und zwei gegenseitig verknüpften Eingangstoren aufgebaut sein kann, gilt die Wahrheitstabelle

K	Z	P
0	0	X
0	1	1
1	0	0
1	1	X

wobei K das Signal am Eingang 11, Zdas Signal am Eingang 12, P das Polaritätssignal am Ausgang 13 und X den vorherigen Zustand bedeutet. Der Eingang 11 der Kippstufe 10 ist mit dem Ausgang des Schwellenschalters 9 und der Eingang 12 mit dem Ausgang einer Untersetzerstufe 14 verbunden. Das Teilerverhältnis N der

Untersetzerstufe 14 ist geradzahlig und gleich oder größer als zwei.

Aus den Signalen K, Z und P werden mit zwei UND-Toren 15, 16 zwei Signale L und M gebildet. Hierzu sind die beiden Eingänge 11,12 und der Ausgang 13 der Kippstufe 10 an drei Eingänge des UND-Tores 15 sowie an drei invertierende Eingänge des UND-Tores 16 angeschlossen. Das UND-Tor 15 ist an einen Auslöseeingang 17 für positive Ladungsimpulse und das UND-Tor 16 an einen Auslöseeingang 18 für negative Ladungsimpulse des Kompensationsladungsgebers 6 geschaltet.

Die Auslöseeingänge 17, 18 des Kompensationsgebers 6 führen zu je einem Z)-Eingang eines Z)-Flipflops 19 und 20, derer. Takteingänge mit einem vor- is zugsweise quarzstabilisierten Zeitbasisoszillator 21 verbunden sind. Am Ausgang des Flipflops 19 bzw. 20 entsteht ein Signal /⁺ bzw. / , das über einen Schalter 22 bzw. 23 eine Konstantstromquelle 24 bzw. 25 schaltet. Die Konstantstromquelle 24 liefert einen positiven Referenzstrom I_R ⁺ und die Konstantstromquelle 25 einen negativen Referenzstrom I_R~ an den Eingang des Integrators 4.

Die Ausgänge der Flipflop 19, 20 sind ferner an ein ODER-Tor 26 geschaltet. Ein UND-Tor 27 ist eingangsseitig mit den Ausgängen des Zeitbasisoszillators 21 und des ODER-Tores 26 verbunden. Das UND-Tor 27 liefert ein Ausgangssignal F an einen Ausgang 28 des Analog-Frequenzwandlers 2.

Wie in der Fig. 1 angedeutet, kann der das Signal F führende Ausgang 28 mit dem Eingang der Untersetzerstufe 14 verbunden werden. Ferner ist es möglich, die Untersetzerstufe 14 mit dem Referenzsignal R des Zeitbasisoszillators 21 oder mit einer anderen konstanten Frequenz zu steuern. Schließlich kann die Untersetzerstufe 14 weggelassen und das Signal Z mit geeignet gewählter konstanter Frequenz von außen her in die Steuerschaltung 5 eingespeist werden.

Im folgenden wird anhand der Fig. 2 die Arbeitsweise des beschrieoenen Analog-Frequenzwandlers für den Fall erläutert, daß das Signal F in die Untersetzerstufe 14 eingespeist wird und N = 4 ist. Die Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung U_A des Integrators 4 sowie der digitalen Signale R, K,Z,P,L,M,I⁺,I~ und F bei konstantem Meßstrom l_M.

Ein Umschaltzyklus ist durch die Periode des Polaritätssignals P gegeben, die im Zeitpunkt i₀ beginnt und im Zeitpunkt r₁₀ endet. In der ersten Halbperiode i₀ bis is ist der Meßstrom /_M negativ und in der zv/eiten Halbperiode r_s bis fio positiv. Nach dem durch das Poiaritätssignal P bewirkten Polaritätswechsel im Zeitpunkt f<j steigt die Ausgangsspannung U_A infolge des negativen Meßstromes J_M vorerst kurzzeitig an, so daß die Signale K und L den logischen Wert 1 aufweisen, bis im Zeitpunkt fi die nächste Anstiegsflanke des Referenzsignals R das Flipflop 19 kippt, der Schalter 22 schließt und die positive Konstantstromquelle 24 eingeschaltet wird. Von diesem Zeitpunkt i, an sinkt die Ausgangsspannung i/., infolge des gegenüber dem negativen Meßstrom /a/ dominierenden positiven Referenzstromes /_&Lgr; ⁴; beim Unterschreiten des Schwellenwertes U₀ gehen die Signale K und L auf logisch 0, was sich vorerst nicht weiter auswirkt. Im Zeitpunkt r₂ wird durch die nächste Anstiegsflanke des Referenzsignals R das Flipflop 19 in die Ruhelage gekippt und dadurch die Konstantstromquelle 24 wieder abgeschaltet. Das Ein- und Abschalten der Konstantstromquelle 24 (Signal /⁺) wiederholt sich nochmals zum Zeitpunkt t₃ und U.

Während des bis hierher beschriebenen Arbeitsablaufs wurden jeweils während der Impulsüberlappungszeit der Signale R und /⁺ zwei Ausgangsimpulse (Signal F) an den Ausgang 28 sowie an die Untersetzerstufe 14 abgegeben. Beim Verschwinden des zweiten Ausgangsimpulses geht das Signal Z am Ausgang der Untersetzerstufe 14 auf logisch 0. Dies bewirkt, daß bei der nächsten Überschreitung der Schwellenspannung U₀ im Zeitpunkt is die Kippschaltung 10 sofort kippt, das Polaritätssignal P auf logisch 0 geht und der Meßstrom I_u in der Folge umgepolt, d. h. positiv wird. Während der zweiten Halbperiode des Polaritätssignals P wiederholt sich der geschilderte Ablauf mit positivem Meßstrom 1_M und negativem Referenzstrom /_Ä".

Aus dem Diagramm der Fig. 2 ist leicht ersichtlich, daß das Polaritätssignal P, das die Polarität des Meßstromes Im sowie des Referenzstromes I_K ⁺ bzw. I_R~ des Kompensationsladungsgebers 6 steuert, seinen logischen Wert nur immer beim gleichen Pegel U_n der Ausgangsspannung U₄ wechselt und somit die Ladungsoilanz der durch den Meßstrom 1_M zufließenden und durch den Referenzstrorn l_R abfließenden Ladung nach jeder Halbperiode des Polaritätssignals P genau stimmt. Dadurch ist gewährleistet, daß durch die sich wiederholende Polaritätsumschaltung kein Meßfehler durch Ladungsverluste auftreten kann.

Die Polaritätsumschaltung bewirkt eine selbsttätige Leerlaufunterdrückung. Wenn nämlich der Meßstrom I_M unter den Wert eines zum Integrator 4 fließenden polaritätsunabhängigen Fehlerstromes sinkt, wird der Integrator 4 spätestens nach der nächsten Polaritätsumschaltung in die Sättigung getrieben.

Durch die sich wiederholende Polaritätsumschaltung wird der Einfluß eines dem Meßstrom 1_M überlagerten Fehlerstromes auf die Ausgangsfrequenz des Analog-Frequenzwandlers 2 weitgehend kompensiert. Eine vollständige !Compensation tritt allerdings bei der durch die Ausgangsfrequenz gesteuerten Polaritätsumschaltung nicht auf, weil die Halbperioden des Polaritätssignals P durch den Fehlerstrom ungleich lang werden. Der relative Meßfehler F_rri beträgt hierbei

(t)

wobei I_F den Fehlerstrom bedeutet.

Eine vollständige Kompensation des Einflusses des polaritätsunabhängigen Fehlerstromes auf die Ausgangsfrequenz kann erzielt werden, wenn die Polaritätsumschaltung zwar von einer konstanten Frequenz abgeleitet, jedoch mit der Ausgangsfrequenz des Analog-Frequenzwandlers synchronisiert wird. Dabei muß die Frequenz der Polaritätsumschaltung kleiner als die kleinste auftretende Ausgangsfrequenz sein. Durch die Synchronisierung unterliegen die Halbperioden der Polaritätsumschaltung einer statistischen Streuung gleich der Periodendauer der Ausgangsfrequenz. Über eine genügend lange Meßperiode wird aber der Mittelwert der beiden Halbperioden der Polaritätsumschaltung gleich und damit der Einfluß des Fehlerstromes vollständig kompensiert

Eine solche Arbeitsweise wird erzielt, wenn die konstante Frequenz eines Referenzoszillators in die Untersetzerstufe 14 eingegeben wird. Das zugehörige Impulsdiagramm dieser Alternative unterscheidet sich von jenem der Fig. 2 nur dadurch, daß das Signal Z völlig

unabhängig vom Signal F ist und die Anzahl Ausgangsimpulse je Halbperiode des Polaritätssignals P nicht immer gleich groß sein muß.

Anstelle des Signals F kann auch das Polaritätssignal P als Ausgangssignal des Analog-Frequenzwandlers verwendet werden.

Die Frequenz des Polaritätssignals P ist im Gegensatz zu jener des Signals F keinen kurzzeitigen Schwankungen durch die Synchronisierung mit dem Referenzsignal R unterworfen, hat aber trotzdem eine feste Beziehung zur streuenden Frequenz des Signals F.

Die Fig. 3 zeigt eine Steuerschaltung 5', die anstelle der Steuerschaltung 5 in der Anordnung nach der F i g. 1 eingesetzt werden kann. Als Schwellenschalter 9' ist in der Steuerschaltung 5' ein Schmitt-Trigger mit einem oberen und einem unteren Schwellenwert vorgesehen. Die Steuerschaltung 5' enthält ferner eine Untersetzerstufe 29 , deren Teilerverhältnis mit N' bezeichnet ist, ein D-Flipflop 30 und zwei UND-Tore 31,32. Der Ausgang des Schwellenschalters 9' ist mit dem Eingang der Untersetzerstufe 29 und mit dem Takteingang des D-Flipflops 30 verbunden, dessen D-Eingang an den Ausgang der Untersetzerstufe 29 angeschlossen ist. Das Signal am Ausgang des Schwellenschalters 9' ist wiederum mit S bezeichnet. Am Ausgang der Untersetzerstufe 29 entsteht ein Signal A und am Ausgang des D-Flipflops 30 das Polaritätssignal P. Die Untersetzerstufe 29 spricht auf abfallende Flanken des Signals S und das D-Flipflop 30 auf ansteigende Flanken des Signals S an.

Der Ausgang des Schwellenschalters 9' ist auch mit einem Eingang des UND-Tores 31 und einem invertierenden Eingang des UND-Tores 32 verbunden. Ferner ist der Ausgang der Untersetzerstufe 29 an einen weiteren Eingang des UND-Tores 31 und der Ausgang des D-Flipflops 30 an einen weiteren invertierenden Eingang des UND-Tores 32 angeschlossen. An den Ausgängen der beiden UND-Tore 31, 32, die an die Auslöseeingänge 17, 18 des Kompensationsladungsgebers 6 (Fig. 1) geschaltet werden, treten die Signale L und M auf.

!n der Fig. 4 ist das zugehörige Impulsdiagramm für den Fall N' = 4 dargestellt. Die Hysterese, d. h. die Differenz zwischen dem oberen Schwellenwert U₀ und dem unteren Schwellenwert U_u des Schwellenschalters 9' ist mit A U bezeichnet. Die Polaritätsumschaltung erfolgt immer genau dann, wenn die Ausgangsspannung U_A des integrators 7 den oberen Schwellenwert U₀ erreicht. Beim Erreichen des Schwellenwertes U₁, bzw. U₁₁ wird ferner die Konstantslromquellc 24 bzw 25 eingeschaltet und dadurch die Ausgangsspannung des Integrators 4 innerhalb der Hysterese A U gehalten. Das Ein- und Abschalten der Konstantstromquellen 24, 25 ist mit dem Referenzsignal R synchronisiert und deshalb im Mittel um eine halbe Periodendauer des Referenzsignals verzögert, weshalb die Frequenz des Referenzsignals genügend groß sein soll gegenüber jener des Polaritätssignals P. Im Impulsdiagramm sind das Referenzsignal R und das Ausgangssignal F durch schraffierte Felder angedeutet, um damit die hohe Frequenz des Referenzsignals zum Ausdruck zu bringen.

Im einzelnen ergibt sich folgender Zeitablauf während einer Periode des Polaritätssignals P. Vom Zeitpunkt t₀ an, wenn die Polarität gerade umgeschaltet und mit vernachlässigbarer Verzögerung die negative Konstantstromquelle 25 abgeschaltet und die positive Konstantstromquelle 24 eingeschaltet wurde, wird der Integrator 4 mit dem jetzt dominierenden Referenzstrom Ig⁺ geladen. Die Ausgangsspannung U₄ sinkt, bis im Zeitpunkt t\ der untere Schwellenwert U₁₁ des Schwellenschalters 9' erreicht und die Konstantstromquelle 24 wieder abgeschaltet wird. Im Zeitintervall Z₀ bis Z₁ wird ein lückenloses Paket konstanter Kompensationsladungen an den Integrator 4 und eine gleiche Anzahl Ausgangsimpulse (Signal F) an den Ausgang 28 des Analog-Frequenzwandlers 2 abgegeben. Vom Zeitpunkt f| an steigt die Ausgangsspannung U_A wieder, weil jetzt nur der negative Meßstrom l_M zum Integrator 4 fließt. Zum Zeitpunkt t₂ wird die positive Konstantstromquelle 24 erneut eingeschaltet und zum Zeitpunkt t_} erneut abgeschaltet. Die Untersetzerstufe 29 kippt im Zeitpunkt /,, wodurch das Z)-Flipflop 30 zum Kippen vorbereitet wird. Sobald die Ausgangsspannung U_A im Zeitpunkt u den oberen Schwellenwert U₀ des Schwellenschalters 9' erreicht, wird das .D-Flipflop 30 sofort gekippt, das Poiaritätssignal P gewechselt und der Meßstrom /_M umgepolt. Durch den jetzt positiven Meßstrom I_M wird der Integrator 4 gegen den unteren Schwellenwert U₁, des Schwellenschalters 9' gesteuert. In den Zeitintervallen I₅ bis /₆ und I₁ bis ig ist die negative Konstantstromquelle 25 eingeschaltet, wodurch die Ausgangsspannung U₄ gegen den oberen Schwellenwert U₀ getrieben wird. Im Zeitpunkt r₈ wechselt das Polaritätssignal P erneut, so daß eine neue Periode beginnt.

Das Untersetzungsverhältnis N' der Untersetzerstufe 29 muß ebenfalls geradzahlig und gleich oder größer als zwei sein. Durch die Wahl dieses Untersetzungsverhältnisses wird die Anzahl der Kompensaüonsladungspakete je Umschaltperiode des Polaritätssignals P festgelegt. Ein genauer Zusammenhang zwischen der Frequenz des Polaritätssignals P und jener des Ausgangssignals F besteht nicht.

Die beschriebenen Analog-Frequenzwandler nach der Fig. 1 sowie nach den Fig. 1 und 3 können mit einfachen zusätzlichen Mitteln derart modifiziert werden, daß sie sowohl positive als auch negative Meßströme /&ldquor; (d.h. im dargestellten Beispiel positive und negative Werte des Produktes U.I) verarbeiten können. Die Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer hierzu geeigneten Zusatzeinrichtung. Zwei Schwellenschalter in Form von Schmitt-Triggern 33,34 sind eingangsseitig an den Integrator 4 (Fig. 1) und ausgangsseitig über ein ODER-Tor 35 an eine Kippstufe 36 angeschlossen. Die Schwellenwerte des Schmitt-Triggers 33 liegen über und die Schwellenwerte des Schmitt-Triggers 34 unter dem Schwellenwert des Schwellenschalters 9 bzw. 9'. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 33 bzw. 34 ist mit einem Eingang eines ODER-Torcs 37 b/w. 38 verbunden, welches in die den Schalter 22 bzw. 23 steuernde, das Signal / ⁺ bzw. /" führende Leitung geschaltet ist. Der Ausgang der Kippstufe 36 ist an ein in den Steuereingang 3 des Multiplikators 1 geschaltetes EXKLUSIVE-ODER-Tor 39 angeschlossen.

Bei einem nicht durch das Polaritätssignal P verursachten Stromrichtungswechsel des Meßstromes /_A/ steigt oder sinkt die Ausgangsspannung U₄ so lange, bis einer der Schmitt-Trigger 33 oder 34 anspricht. Dadurch wird die zugeordnete Konstantstromquelle 24 bzw. 25 eingeschaltet, der Kondensator 8 des Integrators 4 teilweise entladen und die Ausgangsspannung U_A in die Nähe des normalen Arbeitsbereiches zurückgeführt. Beim Zurückschalten des betreffenden Schmitt-Triggers 33 bzw. 34 wird die Kippstufe 36 gekippt und das Polaritätssignal P' am Steuereingang 3 und damit auch die Polarität des Meßstromes I_M zusätzlich gewechselt. Das Signal E am Ausgang der Kippstufe 36 zeigt die von der Polaritätsumschaltung unabhängige Richtung des

Meßstromes I_M an.

Der beschriebene Analog-Frequenzwandler weist gegenüber den bekannten Lösungen, die nach dem gewöhnlichen Ladungskompensationsverfahren ohne Polaritätsumschaltung arbeiten, den Vorteil auf, daß polaritätsunabhängige Fehlerströme kompensiert werden und dadurch eine größere Meßgenauigkeit und eine größere Dynamik erreicht wird. Ferner wird ein Leerlaur selbsttätig verhindert. Bei der zuletzt beschriebenen, für positive und negative Meßströme geeigneten Variante wird eine vollkommene Symmetrie für beide Stromrichtungen auch dann erzielt, wenn die Ströme V und/« der beiden Konstantstromquellen 24,25 z.B. infolge von Alterungserscheinungen nicht genau gleich groß sind.

Gegenüber bekannten, nach dem Umiadevenahren arbeitenden Lösungen zeichnet sich der beschriebene Analog-Frequenzwandler durch den Vorteil aus, daß die Meßkonstante durch den Ladungsinhalt von Kompensationsimpulsen gegeben ist; dieser Ladungsinhalt kann mit einfachen Mitteln mit hoher Genauigkeit und Lang/.eitstabilitiit konstant gehalten werden. Ferner ergibt sich gegenüber dem Umladeverfahren eine größere Dimensionierungsfreiheit, wenn eine hohe Ausgangsfrequenz verlangt wird. Schließlich besteht die gezeigte Möglichkeit, den Einfluß des polaritätsunabhängigen Fehlerstromes vollkommen zu kompensieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

35

40

45

50

SS

«•5

Claims

Patentansprüche:

1. Analog-Frequenzwandlerzur Bildung einer von einem Meßstrom oder von einer Meßspannung abhängigen Ausgangsfrequenz, mit einem Integrator, einem diesem nachgeschalteten Schwellenschalter und einer Steuerschaltung zur Erzeugung eines sich wiederholenden Polaritätssignals, wobei in dem einen logischen Zustand des Polaritätssignals der ic-Meßstrom oder die Meßspannung und in dem ande-Ten logischen Zustand ein zweites Signal, das gegenüber dem Meßstiom bzw. der Meßspannung entgegengesetzve Polarität aufweist, zum Eingang des Integrators gelangt, und wobei ferner das Polaritätssignal seinen logischen Zustand nur beim gleichen Pegel der Ausgangsspannung des Integrators wechselt, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal der in seiner Polarität umgeschaltete Meßstrom (I_u) bzw. die in ihrer Polarität umgeschaltete Meßspannung ist, daß ein Kompensationsladungsgeber (S) vorhanden ist, der einem Kondensator (8) des Integrators (4) jeweils beim Ansprechen des Schwellcnschaltcrs (9) eine konstante Kompensationsladung zuführt, und ü:iß das Polaritätssignal (P) die Polarität des Kompcnsationsladungsgebers (6) steuert, so daß nach dem Ladungsmengenkompensationsverfahren eine dem Meßstrom (I_M) bzw. der Meßspannung proportionale Ausgangsfrequenz gebildet wird.

2. Analog-Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenschalter (9; 9¹) Bestandteil der Steuerschaltung (5; 5') ist, wobei ausgewählte Signalwechsel des Schwellenschalters (9; 9¹) einen Wechsel des logischen Wertes des Polaritätssignals (P) hervorrufen.

3. Analog-Frequenzwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Polaritätssignals (P) durch die Ausgangsfrequenz des Analog-Frequenzwandlers (2) bestimmt ist und deren //-ten Teil entspricht, wobei N eine gerade Zahl und gleich oder größer als zwei ist.

4. Analog-Frequenzwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Poktritätssignals (P) durcl einen Referenzoszillator (21) bestimmt ist.

5. Analog-Frequenzwandler nach Anspruch 1 odei 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz ties Polaritätssignals (P) durch die Ausgangsfrequenz des Schwellenschalters (9') bestimmt ist und deren N-ten Teil entspricht, wobei TV eine gerade Zahl und gleich oder größer als zwei ist.

6. Analog-Frequenzwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (5') eine Kippstufe (10) mit der Wahrheitstabelle

X
1
0
X

60

65 aufweist, wobei K das Signal am ersten Eingang (11), Z das Signal am zweiten Eingang (12), P das Signal am Ausgang (13) der Kippstufe (10) und X den vorherigen Zustand bedeute^ und daß der erste Eingang (11) der Kippstufe (10) mit dem Ausgang des Schwellenschalters (9) und der zweite Eingang (12) mit dem Referenzoszillator (21) bzw. über eine Untersetzerstufe (14) mit dem Ausgang (28) des Analog-Frequenzwandlers (2) verbunden ist und daß ferner der Schwellenschalter (9) ein Spannungskomparator mit einem einzigen Schwellenwert (U₀) ist.

7. Analog-Frequenzwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (5') eine Untersetzerstufe (29) und ein Z)-Flipflop (30) aufweist, daß der Ausgang des Schwellenschalters (9¹) mit dem Eingang der Üntersetzerstufe (29) und mit dem Takteingans des D-Flipflops (30) verbunden und der Ausgang der Untersetzerstufe (29) an den Z)-Eingang des Z>-Flipflops (30) angeschlossen ist und daß ferner der Schwellenschalter (9') ein Schmitt-Trigger mit einem oberen Schwellenwert (U₁₁) und einem unteren Schwellenwert (U₁₁) ist.

8. Analog-Frequenzwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hingänge (11; 12) und der Ausgang (13) der Kippstufe (10) an drei Eingänge eines ersten UND-Tores (15) sowie an drei invertierende Eingänge eines zweiten UND-Tores (16) angeschlossen sind und daß das eine UND-Tor (15) an einen Auslöseeingang (17) für positive Ladungsimpulse und das andere UND-Tor (16) an einen Auslöseeingang (18) für negative Ladungsimpulse des Kompensationsladungsgebers (6) geschaltet ist.

9. Analog-Frequenzwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Schwellenschalters (9') mit einem Eingang eines ersten UND-Tores (31) und einem invertierenden Eingang eines zweiten UND-Tores (32) verbunden ist, daß der Ausgang der Untersetzerstufe (29) an einen weiteren Eingang des ersten UND-Tores (31) und der Ausgang des £>-Flipflops (30) an einen weiteren invertierenden Eingang des zweiten UND-Tores (32) angeschlossen ist und daß das eine UND-Tor (31) an einen Auslöseeingang (17) für positive Ladungsimpulse und das andere UND-Tor (32) an einen Auslöseeingang (18) für negative Ladungsimpulse des Kompensationsladungsgebers (6) geschaltet ist.

10. Analog-Frequenzwandler nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsladungsgeber(6)je eine Konstantstromquelle (24; 25) für positive und für negative Ladungsimpulse und einen Zeitbasisoszillator (21) aufweist, wobei dl·: Konstantstromquelle (24; 25) über ein Flipflop (19; 20) und einen von diesem gesteuerten Schalter (22; 23) jeweils für eine oder mehrere Periodendauern des Zeitbasisoszillators (21) einschaltbar ist.

11. Analog-Frequenzwandle- nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer proportionalen Ausgangsfrequenz sowohl bei positivem als auch bei negativem Meßsignal (I_M) zwei weitere dem Integrator (4) nachgeschaltete Schwellenschalter (33; 34) vorgesehen sind, daß die Ausgänge der beiden weiteren Schwellenschalter (33; 34) über ein ODER-Tor (35) an eine Kippstufe (36) angeschlossen sind, deren Ausgangssignal (E) die Polarität des Meß-

signals (I_u) anzeigt und das Polaritätssignal (P) über ein EXKLUSIVE-ODER-Tor (39) zusätzlich steuert und daß die beiden weiteren Schwellenschalter (33; 34) im angesprochenen Zustand jeweils eine Stromquelle (24; 25) zur teilweisen Entladung des Kondensators (8) des Integrators (4) einschalten.