DE4034698C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Spannungs-Fre­ quenz-Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einem Widerstands-Frequenz-Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Aus dem Artikel Haug, A. "Spannung und Widerstand mit dem Frequenzzähler gemessen!" in der Zeitschrift Elektroniker Heft Nr. 11/76, S. 26 bis 31 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die nach der vorgenannten Ladungsbilanzmethode arbeitet und zusammen mit einem Frequenzzähler zum Aufbau von Digitalvoltmetern bzw. Digitalohmmetern herangezogen werden kann. Kernstück dieser Schaltungsanordnung ist eine Integratorschaltung, deren Ausgang mit einem Eingang einer Komparatorschaltung gekoppelt ist, wobei ein Eingang der Integratorschaltung einerseits über einen ersten Widerstand mit der zu messenden Eingangsspannung und andererseits über eine Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes und eines von einem D-Flip-Flop angesteuerten Schalters mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist. Der Ausgang des Komparators ist mit dem D-Eingang des Flip-Flops verbunden, dessen Ausgang den Schalter ansteuert und mit einem Eingang eines UND-Gatters verbunden ist. Externe Taktimpulse werden an den Takteingang des D-Flip-Flops und an einen zweiten Eingang des UND-Gatters geliefert. Am Ausgang des UND-Gatters können von der Schaltungsanordnung erzeugte Ausgangsimpulse abgegriffen werden. Wird die zu messende Spannung an den mit dem Eingang des Integrators verbundenen ersten Widerstand angelegt, so steigt die Ausgangsspannung der Integratorschaltung von negativen Werten kommend an. Wenn diese Ausgangsspannung der Integratorschaltung, die der Komparatorschaltung zugeführt wird, einen Wert größer Null erreicht, steigt das Ausgangssignal der Komparatorschaltung schlagartig an, der D-Eingang des Flip-flops wird gesetzt, und mit dem nächstfolgenden Takt wird auch der Ausgang des Flip-Flops gesetzt und der Schalter geschlossen. Am ersten Eingang des UND-Gatters liegt nun eine logische 1 an, und die folgenden Taktimpulse können an den Ausgang des UND-Gatters gelangen. Der geschlossene Schalter bewirkt gemeinsam mit der Vergleichsspannung und dem an den Eingang des Integrators angeschlossenen zweiten Widerstand, daß die Ausgangsspannung der Integratorschaltung abnimmt. In dem Moment, in dem die Eingangsspannung der Komparatorschaltung kleiner Null wird, geht der Ausgang schlagartig auf Null, so daß auch der D-Eingang auf Null gesetzt wird und mit dem nächstfolgenden Taktimpuls an den Ausgang des Flip-Flops gelangt. Dies hat zur Folge, daß der Schalter geöffnet wird, am ersten Eingang des UND-Gatters eine Null anliegt und somit keine Taktimpulse mehr an den Ausgang des UND-Gatters gelangen können. Von den N Taktimpulsen, die während eines Beobachtungsintervalls auftreten, gelangen nur n Taktimpulse an den Ausgang der Schaltungsanordnung. Das Verhältnis n/N stellt eine Impulshäufigkeit dar, die eine Art "mittlere Frequenz" kennzeichnen, die von der zu messenden Eingangsspannung abhängt. Wird nun in dieser Schaltungsanordnung die zu messende Eingangsspannung konstant gehalten, so kann der erste Widerstand durch einen Widerstand ersetzt werden, dessen Widerstandswert gemessen werden soll. Ein mit der oben beschriebenen Schaltungsanordnung gewonnenes Ausgangssignal ist mit einer gewissen Zufälligkeit behaftet und die "Frequenz" des Ausgangssignals kann erst nach dem Auftreten von N-Taktimpulsen bestimmt werden, wobei keine hohe Meßgenauigkeit erreicht werden kann.

Darüber hinaus sind Spannungs-Frequenz-Wandler bekannt, die eine Integratorschaltung und eine der Integratorschaltung nachgeschaltete Komparatorschaltung haben. Das Ausgangssignal des Wandlers wird zu schaltenden Ansteuerung einer in den Wandler integrierten Referenzspannungsquelle oder Referenzstromquelle verwendet, wobei diese schaltende Ansteuerung mit einer internen Zeitbasis der Wandlerschaltung erfolgt. Ein von der geschalteten Referenzspannungsquelle abgeleiteter Strom oder der geschaltete Referenzstrom des bekannten Spannungs-Frequenz-Wandlers wird zum Integrator rückgeführt. Die interne Zeitbasis dieses bekannten Spannungs-Frequenz-Wandlers wird durch ein analoges Zeitglied gebildet. Schwankungen der Zeitkonstante der internen Zeitbasis des bekannten Spannungs-Frequenz-Wandlers gehen ebenso in die Ausgangsfrequenz ein wie Ungenauigkeiten der internen Referenzspannungsquelle oder Referenzstromquelle. Bei Verwendung des bekannten Spannungs-Frequenz-Wandlers zur Widerstandsmessung führen ferner Schwankungen einer externen Spannungsquelle, an die der zu messende Widerstand angeschlossen ist, zu weiteren Fehlern.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Spannungs-Fre­ quenz-Wandler der eingangs genannten Art und einen Wider­ stands-Frequenz-Wandler der eingangs genannten Art so wei­ terzubilden, daß bei niedrigem schaltungstechnischen Aufwand eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Spannungs-Frequenz-Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale und bei einem Widerstands-Frequenz-Wandler nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 2 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 2 aufgeführten Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Spannungs-Frequenz-Wandler umfaßt der Rückkopplungszweig eine Digitalschaltung in Form einer von einem Schwingquarz angesteuerten digitalen Pulserzeu­ gungsschaltung, die bei Auftreten einer positiven oder nega­ tiven Flanke des im wesentlichen rechteckförmigen Ausgangs­ signales des Spannungs-Frequenz-Wandlers einen Puls mit einer von dem Schwingquarz festgelegten konstanten Dauer er­ zeugt. An den Eingang der Integratorschaltung ist einerseits über einen ersten Widerstand die zu messende Eingangsspan­ nung angelegt und andererseits über eine Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes und eines von der digitalen Puls­ erzeugungsschaltung angesteuerten Schalters eine Bezugs­ spannungsquelle angeschlossen. Bei integrierter Ausführung des erfindungsgemäßen Spannungs-Frequenz-Wandlers ermöglicht es die erfindungsgemäße Schaltung, von einer externen Be­ zugsspannungsquelle Gebrauch zu machen, wie sie in vielen Anwendungsfällen bereits in benachbarten Schaltungen ohnehin vorgesehen ist. Ferner kann in vielen Anwendungsfällen der erfindungsgemäße Spannungs-Frequenz-Wandler an einen in be­ nachbarten Schaltungen ohnehin vorgesehenen Schwingquarz an­ geschlossen werden. Da die Zeitdauer des von der erfindungs­ gemäßen digitalen Pulserzeugungsschaltung abgegebenen Pulses durch den Schwingquarz festgelegt wird, wird bei niedrigem Schaltungsaufwand eine sehr hohe Wandlergenauigkeit er­ reicht.

Der erfindungsgemäße Widerstands-Frequenz-Wandler bedient sich gleichfalls einer digitalen Pulserzeugungsschaltung, die von einem Schwingquarz angesteuert wird und somit zu einem hochgenauen Schalten des rückgekoppelten Stromsignales führt. Bei dem erfindungsgemäßen Widerstands-Frequenz-Wand­ ler wird sowohl der Meßwiderstand als auch der von der Puls­ erzeugungsschaltung über einen Schalter geschaltete Strom­ pfad von der gleichen Bezugsspannungsquelle oder von einer von der Bezugsspannungsquelle abgeleiteten Spannung ver­ sorgt, so daß Schwankungen der Bezugsspannungsquelle keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Widerstands-Frequenz-Wand­ lung haben. Auch bei dem erfindungsgemäßen Widerstands-Fre­ quenz-Wandler kann bei dessen integrierter Ausführung von einer Bezugsspannungsquelle und einem Schwingquarz Gebrauch gemacht werden, die außerhalb der eigentlichen integrierten Schaltung ohnehin in benachbarten Schaltungen vorgesehen sind.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Spannungs- Frequenz-Wandlers sowie des erfindungsgemäßen Widerstands- Frequenz-Wandlers sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Spannungs-Frequenz-Wandlers und eine bevorzugte Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Widerstands-Frequenz- Wandlers näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungs-Frequenz-Wandlers; und

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstands-Frequenz-Wandlers.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spannungs-Frequenz-Wand­ lers, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 be­ zeichnet ist, eine Integratorschaltung 2 sowie eine der In­ tegratorschaltung 2 nachgeschaltete Komparatorschaltung 3, deren Ausgang gleichzeitig den Wandlerausgang A bildet.

An ein erstes Eingangsklemmenpaar E1, E2 ist die zu messende Spannung UM anlegbar. Eine Eingangsklemme E1 steht über einen ersten Widerstand R1 mit einem Eingang des Integrators 2 in Verbindung, während die andere Eingangsklemme E2 gegen Masse geschaltet ist. An einem weiteren Eingangsklemmenpaar E3, E4 ist eine Referenzspannung UR angeschaltet. Eine Ein­ gangsklemme E3 dieses weiteren Eingangsklemmenpaares ist mit einem Kontakt eines Schalters S verbunden, während die ande­ re Eingangsklemme E4 dieses weiteren Eingangsklemmenpaares gegen Masse geschaltet ist. Ein Ausgang des Schalters S ist über einen zweiten Widerstand R2 mit dem Eingang des Inte­ grators 3 verbunden.

Der Integrator 2 umfaßt einen ersten Operationsverstärker OP1, dessen invertierender Eingang und dessen Ausgang mit­ tels eines Kondensators C verbunden sind. Der nicht-inver­ tierende Eingang des ersten Operationsverstärkers ist gegen Masse geschaltet.

Der Komparator 3 umfaßt einen zweiten Operationsverstärker OP2, dessen nicht-invertierender Eingang gegen Masse ge­ schaltet ist und dessen invertierender Eingang mit dem Aus­ gang des ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden ist.

Der Ausgang A des erfindungsgemäßen Spannungs-Frequenz-Wand­ lers 1 ist mit einem Steuereingang einer digitalen Pulser­ zeugungsschaltung P verbunden, welche entweder durch die an­ steigende oder durch die abfallende Flanke des im wesentli­ chen rechteckförmigen Ausgangssignals am Wandlerausgang A zur Erzeugung von jeweils einem Puls ansteuerbar ist, dessen Dauer durch ein der digitalen Pulserzeugungsschaltung P zu­ geführtes Taktsignal bestimmt wird.

Die Pulserzeugungsschaltung P kann auf verschiedene Arten realisiert sein. Nur beispielsweise sei darauf hingewiesen, daß sie eine Zählerschaltung sein kann, die bei Auftreten einer negativen Flanke des im wesentlichen rechteckförmigen Wandlerausgangssignales mit einem bestimmten Zählwert gela­ den wird, und gleichzeitig ein Ausgangssignal mit hohem lo­ gischen Pegel abgibt. Der Zählwert wird anhand des von dem Schwingquarz Q erhaltenen Taktsignales dekrementiert, wobei das Ausgangssignal rückgesetzt wird, sobald der Zählwert auf "0" herabgezählt ist. Beliebige Abwandlungen erschließen sich für den Fachmann ohne weiteres.

So ist es beispielsweise möglich, daß die digitale Pulser­ zeugungsschaltung als Schieberegister ausgeführt ist, in das nach Auftreten einer positiven oder negativen Flanke des Ausgangssignales mittels einer geeigneten Gatterschaltung eine "1" oder "0" eingelesen wird, die in einem durch den Schwingquarz vorgegebenen Takt durch das Schieberegister ge­ schoben wird. Mit dem ersten Takt kann ein ausgangsseitiges Flip-Flop-Gatter gesetzt werden, welches aufgrund des durch das Schieberegister hindurchgetakteten Wertes nach einer fe­ sten Zeitdauer rückgesetzt wird.

Für den Fachmann ist es somit offensichtlich, daß es für die Zwecke der vorliegenden Erfindung auf die Art der Pulserzeu­ gungsschaltung nicht ankommt, solange es sich bei dieser um eine digitale Schaltung handelt, die von einem Schwingquarz zur Erzeugung eines Pulses von einer durch den Schwingquarz festgelegten konstanten Dauer ansteuerbar ist.

Der Ausgang der digitalen Pulserzeugungsschaltung P ist mit einem Steuereingang des Schalters S verbunden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstands-Frequenz- Wandlers erläutert. Der in Fig. 2 gezeigte Widerstands-Fre­ quenz-Wandler, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszei­ chen 1′ bezeichnet ist, stimmt mit Ausnahme der nachfolgend erläuterten Abweichungen mit dem in Fig. 1 gezeigten Span­ nungs-Frequenz-Wandler 1 überein. Übereinstimmende Elemente dieser beiden Wandler 1, 1′ sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Anstelle des mit dem ersten Widerstand R1 verbundenen Ein­ gangsklemmenpaares E1, E2 bei dem in Fig. 1 gezeigten Wand­ ler 1 sind bei dem Widerstands-Frequenz-Wandler 1′ gemäß Fig. 2 ein Eingangsklemmenpaar E1′, E2′ mit der Referenzspannung UR beaufschlagt, die auch an das zweite Eingangsklemmenpaar E3, E4 angelegt ist.

Es sei hervorgehoben, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ebenso wie bei derjenigen gemäß Fig. 1 die an die Ein­ gangsklemmenpaare angelegten Spannungen jeweils entgegenge­ setzte Polaritäten haben. Hierunter sei verstanden, daß die Polaritäten so gewählt sind, daß ein Strom von einem Ein­ gangsklemmenpaar zu dem Integrator 2 hinfließt, während er von dem anderen Eingangsklemmenpaar von dem Integrator abfließt.

Bei dem erfindungsgemäßen Widerstands-Frequenz-Wandler 1′ steht die erste Eingangsklemme E1′ über einen vierten Wider­ stand R4 mit einem invertierenden Eingang eines dritten Ope­ rationsverstärkers in Verbindung, dessen nicht-invertieren­ der Eingang gegen Masse geschaltet ist. Die zweite Eingang­ klemme E2′ ist gegen Masse geschaltet. Zwischen dem inver­ tierenden Eingang und dem Ausgang des dritten Operationsver­ stärkers liegt ein dritter Widerstand R3. Der Ausgang des dritten Operationsverstärkers ist mit dem dem Integrator 2 abgewandten Anschluß eines Meßwiderstandes RM verbunden.

In Abweichung von Fig. 2 können der Meßwiderstand RM und der dritte Widerstand R3 auch vertauscht werden.

Nachfolgend sei kurz die Funktionsweise der erfindungsge­ mäßen Schaltung erläutert. Die Ausgangsspannung des dritten Operationsverstärkers ist proportional zur Bezugsspannung UR und proportional zum Widerstandswert des dritten Widerstan­ des R3 sowie umgekehrt proportional zum Widerstandswert des vierten Widerstandes R4. Die nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterten Zusammenhänge zwischen der zu messen­ den Spannung UM und der Ausgangsfrequenz gelten unter Be­ rücksichtigung dieser Proportionalität auch für die Schal­ tung nach Fig. 2.

Bei einer zu messenden Spannung UM größer als 0 ergibt sich in einem Anfangszustand eine Integratorausgangsspannung, die größer als 0 ist. In diesem Zustand ist der Schalter S of­ fen. Die Meßspannung, die größer als 0 ist, bewirkt eine Ab­ nahme der Integratorspannung. Unterschreitet diese den Null­ pegel, so schaltet der Komparator 3. Dies löst einen Impuls konstanter Dauer TL durch die Pulserzeugungsschaltung P aus. Sind R1 und R2 so dimensioniert, daß der Betrag der Ladung, die während der Impulsdauer TL über den zweiten Widerstand R2 fließt, größer ist als der Betrag der maximalen Ladung, die wäh­ rend einer Periodendauer über den Meßwiderstand RM (Fig. 2) bzw. den ersten Widerstand R1 (Fig. 1) fließen kann, so wer­ den die Integratorausgangsspannung ebenso wie der Schaltzu­ stand des Komparators 3 in den Anfangszustand zurückkehren. Die Ausgangsfrequenz der Schaltung gemäß Fig. 1 ist propor­ tional zu dem Widerstandswert des zweiten Widerstandes R2 und dem Quotienten der Meßspannung UM zu der Bezugsspannung UR sowie umgekehrt proportional zum Widerstandswert des ersten Widerstandes R1 (Fig. 1) bzw. des Meßwiderstandes RM (Fig. 2) und der Pulsdauer TL.

Im Falle der Widerstandsmessung (Fig. 2) fällt die Abhängig­ keit von der Bezugsspannung UR heraus, so daß die Ausgangs­ frequenz lediglich proportional zu einer Konstante und um­ gekehrt proportional zum Widerstandswert des Meßwiderstandes RM ist.

Claims (5)

1. Spannungs-Frequenz-Wandler mit einer Integratorschaltung (2) und einer zwischen der Integratorschaltung (2) und dem Wandlerausgang (A) an­ geordneten Komparatorschaltung (3) zum Erzeugen eines im wesentlichen rechteckförmigen Ausgangssignales mit einer von einer zu messenden Eingangsspannung (UM) abhängigen Frequenz, das zum Schalten eines die Integratorschaltung (2) mit einem rückgekoppelten Strom versorgenden Rück­ kopplungszweiges dient, wobei ein Eingang der Integratorschaltung (2) einerseits über einen ersten Widerstand (R1) mit der zu messenden Eingangsspannung (UM) und andererseits über eine Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes (R2) und eines von der digitalen Pulserzeugungsschaltung (P) angesteuerten Schalters (S) mit einer Bezugsspannungsquelle (UR) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungszweig eine von einem Schwingquarz (Q) angesteuerte digitale Pulserzeugungsschaltung (P) aufweist, die bei Auftreten einer positiven oder negativen Flanke des im wesentlichen rechteckförmigen Ausgangssignals einen Puls mit einer von dem Schwingquarz (Q) festgelegten konstanten Dauer (TL) erzeugt.

2. Widerstands-Frequenz-Wandler mit einer Integratorschaltung (2) und einer zwischen der Integratorschaltung (2) und dem Wandlerausgang (A) an­ geordneten Komparatorschaltung (3) zum Erzeugen eines im wesentlichen rechteckförmigen Ausgangssignales mit einer von dem Widerstandswert eines zu messenden Widerstandes (RM) abhängigen Frequenz, das zum Schalten eines die In­ tegratorschaltung (2) mit einem rückgekoppelten Strom versorgenden Rückkopplungszweiges dient, wobei ein Eingang der Integratorschaltung (2) einerseits mit dem bezüglich seines Widerstandswertes zu vermessenden Widerstand (RM), der seinerseits an eine Bezugsspannungsquelle (UR) angeschlossen ist oder mit einer von der Bezugsspannungsquelle (UR) abgeleiteten Spannung versorgt wird, und andererseits über eine Reihenschaltung eines weiteren Widerstandes (R2) und eines von der digitalen Pulserzeugungsschaltung angesteuerten Schalters (S) mit der Bezugsspannungsquelle (UR) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rückkopplungszweig eine von einem Schwingquarz (Q) angesteuerte digitale Pulserzeugungsschaltung (P) aufweist, die bei Auftreten einer positiven oder nega­ tiven Flanke des im wesentlichen rechteckförmigen Aus­ gangssignales einen Puls mit einer von dem Schwingquarz (Q) festgelegten konstanten Dauer (TL) erzeugt.

3. Wandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zwischen dem zu messenden Widerstand (RM) und dem Eingang der Integratorschaltung (2) angeordnete Verstär­ kerschaltung, bestehend aus einem Operationsverstärker (OP3), dessen invertierender Eingang mit dem Meßwider­ stand, dessen nicht-invertierender Eingang mit Masse und dessen Ausgang über einen ersten Widerstand (R1) mit dem Eingang der Integratorschaltung (2) verbunden ist, sowie mit einem zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang dieses Operationsverstärkers geschalteten drit­ ten Widerstand (R3).

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (2) einen weiteren Operationsverstär­ ker (OP1) aufweist, dessen invertierender Eingang den Integratoreingang bildet, dessen nicht-invertierender Eingang mit Masse verbunden ist und dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang über einen Integrationskon­ densator (C) verbunden ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (3) durch einen weiteren Operations­ verstärker (OP2) gebildet wird, dessen nicht-invertie­ render Eingang mit Masse verbunden ist, dessen inver­ tierender Eingang mit dem Ausgang des Komparators (3) verbunden ist und dessen Ausgang den Wandlerausgang (A) bildet.