DD208868A1 - Schaltungsanordnung zur freuquenz-spannungs-wandlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Frequenz-Spannungs-Wandlung, wie sie insbesondere fuer die mit Impulsgebern gekoppelte analoge Drehzahlerfassung in Regelkreisen und Auswertesystemen rotierender elektrischer Maschinen erforderlich ist.Ausgehend von einer Schaltungsanordnung nach dem PLL-Verfahren mit einem Analogwertspeicher und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) in einem ersten Regelkreis wird durch Erweiterung des Arbeitsbereiches auf ein Frequenzverhaeltnis von 1:1000 ein zweiter Regelkreis geschaffen,mit dem gewaehrleistet wird , dass der VCO auch bei grossen Aenderungen der Frequenz des Eingangssignals des Wandlers folgt.Erreicht wird dies durch einen dem VCO-Eingang vorgeordneten gesteuerten Spannungsteiler,dessen Teilerverhaeltnis in Abhaengigkeit der zweiten Eingangsfrequenz u.VCO-Frequenz bestehenden Differenzen gesteuert wird.Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Mess- und Regeltechnik, insbesondere auf dem Gebiet der elektrischen Antrie

Description

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Titel der Erfindung

Schaltungsanordnung zur Frequenz-Spannungs-Wandlung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Frequenz-Spannungs-Wandlung, wie sie für die mit Impulsgebern gekoppelte analoge Drehzahlerfassung in Regelkreisen und Auswertesystemen rotierender Maschinen erforderlich ist· Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Messung von GleichlaufSchwankungen von über Impulse erfassbaren rotatorischen oder linearen Systembewegungen .

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bekannten Frequenz-Spannungs-Wandler arbeiten nach den folgenden Prinzipieni

In der Zeitschrift "messen, steuern, regeln" 1? (1974) H. 12, S, 279-281 ist als einfachstes Verfahren die Impulsflächen-Mittelwertbildung angeführt· Dieses Verfahren hat die Nachteile, daß die große Ladezeitkonstante die Dynamik des Systems begrenzt und die Linearität in vielen Fällen nicht den Anforderungen entspricht»

Nach einem anderen Lösungsvorschlag für die Frequenz-Spannungs-Wandlung wird deshalb unter Anwendung des PLL-Verfahrens versucht, die Nachteile zu beseitigen· So ist in der Zeitschrift "etz-Archiv", Bd. 2 (1980) H. 7* S. 199-202 eine Anordnung beschrieben, die einen spannungsgesteuerten Oszillator und einen Phasendiskriminator aufweist. Diese Schaltung

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erfordert die Zwischenschaltung eines Tiefpasses mit einer zur Periodendauer des Eingangssignals großen Zeitkonstante, der die Dynamik des Systems festlegt.

Andere Frequenz-Spannungs-Wandler arbeiten nach dem Prinzip der Periodendauermessung mit anschließender Reziprokwert-"bildung (z. B. DE-OS 2 838 489, G 01 R, 23/06). Bei diesem Verfahren ist der Aufwand sowohl bei analoger als auch bei digitaler Erfassung für eine ausreichende Genauigkeit sehr groß.

Nach der Patentanmeldung WP G 01 R/ 235 934 4- wurde ein Frequenz-Spannungs-Wandler nach dem PLL-Verfahren mit einem Analogwert spei eher als Phasendiskriminator und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) vorgeschlagen. Der Analogwertspeicher wird nach diesem Vorschlag durch die Eingangsfrequenz gesteuert und tastet periodisch die meist sägezahnförmige Ausgangsspannung ab{ die abgetastete Größe wird gespeichert, bildet das Ausgangssignal und steuert gleichzeitig den VCO. Mit diesem System werden eine hohe Linearität und eine gute Dynamik erreicht, da kein Tiefpaß erforderlich ist· Ein sicheres Einrasten der VOO-Frequenz auf die Eingangsfrequenz ist jedoch nur in einem relativ kleinen Frequenzbereich möglich. Bei Abtastspannungen, die unterhalb der halben Sägezahnamplitude liegen, können sich stabile Arbeitspunkte auch bei Harmonischen der Eingangsfrequenz einstellen. So ist z· B, möglich, daß die VCO-Frequenz doppelt so groß wie die Eingangsfrequenz ist* Dann erfolgt die Abtastung in jeder zweiten Periode der VOO-Frequenz auf dem doppelten Spannungswert· Bei entsprechend kleinen Eingangsfrequenzen ist auch ein Einradten der VOO-Frequenz auf höheren Harmonischen mögliche Damit zeigt diese Schaltungsanordnung kein frequenzintensives Verhalten und läßt ein sicheres Arbeiten nur in einem Frequenzverhältnis von ca· 1 t 2 zu.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, einen derartigen Frequenz-

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Spannungs-Wandler für ©in Frequenz verhältnis bis 1 s 1000 anwendbar zu gestalten·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der gewährleistet wird, daß der spannungsgesteuerte Oszillator nicht auf Harmonischen der Eingangsfrequenz arbeiten kann·

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung nach dem PLL-Verfahren mit einem Analogwertspeicher, der als Phasendiskriminator ausgebildet ist, dessen Steuereingang den Wandlereingang bildet und dessen Signaleingang mit einem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist, wobei der Ausgang des Analogwertspeichers auf den spannungsgesteuerten Oszillator einzuwirken vermag und der Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators gleichzeitig den Wandlerausgang bildet, wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Ausgang des Analogwertspeiehers und dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators ein gesteuerter Spannungsteiler angeordnet ist, dessen Steuergröße aus dem Vergleich der Eingangsfrequenz des Wandlers mit der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators abgeleitet ist.

Der gesteuerte Spannungsteiler besteht zweckraäßigerweise aus einem ohmschen Widerstand und einem Feldeffekttransistor. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Steuergröße für den Spannungsteiler aus einem frecjuenzintensiven Phasendiskriminator abzuleiten· Das Integrierglied sollte eine zur Periodendauer des Eingangssignals große Zeitkonstante aufweisen. Dabei kann als Integrierglied ein als Integrator geschalteter Operationsverstärker eingesetzt werden.

Zur Verbesserung der Dynamik des Wandlers ist es vorteilhaft, das Verhältnis der Zeitkonstante des Integriergliedes zur Periodendauer des Eingangssignals annähernd konstant zu halten·

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Dazu ist es günstig, den zeitbestimmenden Widerstand des Integriergliedes in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung zu verändern, wozu als gesteuerter Widerstand ein Transistor verwendet werden kann.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Frequenz-Spannungs-Wandlung hat folgende Wirkungsweise: Der Analogwertspeicher und der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) "bilden einen Regelkreis mit hoher Dynamik, der auf kleine Änderungen der Eingangsfrequenz sofort reagiert.

Die Schaltungsanordnung weist weiterhin eine zusätzliche Regeleinrichtung mit einer zur Periodendauer der Eingangsfrequenz großen Zeitkonstante auf, die ebenfalls auf den VOO einwirkt und die Aufgabe hat, den Arbeitspunkt des Wandlers festzulegen· Der Soll-Istwert-Vergleich in dieser zusätzlichen Regeleinrichtung erfolgt in einem digitalen frequenzintensiven Phasendiskriminator, der seine Signale aus der Eingangsfrequenz und über eine Triggerstufe aus der VOO-Frequenz erhält· Der zwischen dem Ausgang des Analogwert Speichers und dem Eingang des VCO geschaltete regelbare Spannungsteiler wird von den Ausgangsimpulsen des Phasendiskriminators über ein Integrierglied so geregelt, daß die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal und der getriggerten VCO-Frequenz minimal wird.

Damit erfolgt im eingeschwungenen Zustand die Abtastung im Analogwertspeicher immer bei dem gleichen Wert und der VCO stellt sich auf die Frequenz des Eingangssignals ein. Zur Verbesserung der Dynamik der zusätzlichen Regeleinrichtung ist es vorteilhaft, die Zeitkonstante des Integrators von der Ausgangsspannung des Wandlers zu steuern. Damit wird erreicht, daß im gesaraten Frequenzbereich des Eingangssignals ein etwa konstantes Verhältnis zwischen der Zeitkonstante des Integriergliedes und der Periodendauer des Eingangssignals aufrechterhalten wird. Mit dieser zusätzlichen Regeleinrichtung ist der Fr equenz-Spannung s-^Wandler in der Lage, in einem sehr großen Frequenzbereich stabil zu arbeiten. Er weist dabei hohe

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— 5 — Genauigkeit und eine sehr gute Dynamik auf»

Au sführunfisbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläuterte In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig· 1 ein Blockschaltbild des Frequenz-Spannungs-Wandlers

Fig. 2 den Zeitverlauf einiger Signalgrößen

Die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung eines Frequenz-Spannungs-Wandlers besteht aus einer Impulsverarbeitungsstufe 1, einem als Analogwertspeicher ausgebildeten Abtast-Halte-Glied (AHG) 2 und einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 3, sowie aus einer Triggerstufe 14, einem digitalen Phasendiskriminator 15| einem Integrierglied 16 und einem gesteuerten Spannungsteiler 17*

Die Impulsverarbeitungsstufe 1 formt die Impulse 18 (Spannung sverlauf U) der Eingangsfreguenz f_e zu ladelimpulsen 19 (Spannungsverlauf U^) , die über Verbindung 4 dem Steuereingang 2.1 des AHG 2 zugeführt werden.

Am Ausgang des AHG 2 steht ein Gleichspannungssignal 25 (Spannung sverlauf U₈^) zur Verfügung, das über die Verbindung 5 an den gesteuerten Spannungsteiler 17 gelangt. Von diesem wird es über die Verbindung 6 als Steuersignal dem VOO 3 zugeführt und bildet gleichzeitig das Ausgangssignal 26 des Wandlers (Spannungsverlauf U_a). Am Ausgang des VCO 3 steht eine Sägezahnspannung 20 (Spannungsverlauf U_Q) zur Verfügung, die über die Verbindung 7 auf den Signaleingang 2«2 des AHG 2 geführt wird· Damit wird über die Elemente AHG 2, gesteuerter Spannungsteiler 17 u^id VOO 3 sowie die Verbindungen 5» 6 und 7 ein erster HiL-Re ge !kreis gebildet.

Über die Verbindung 9 erhält die Triggerstufe 14 die Sägezahnspannung 20 (Spannungsverlauf U) vom VCO 3· Die in der

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Triggerstufe 14 geformten Impulse 21 (Spannungsverlauf U^) werden über die Verbindung 10 einem digitalen frequenzintensiven Phasendiskriminator 15 zugeführt ι der als Vergleichsignal Über die Verbindung 8 die Nadelimpulse 19 (Spannung sver lauf U₁) erhält· Der digitale Phasendiskriminator 15 stellt zwei Korrektursignale "Aufwärts" oder "Abwärts" zur Verfügung (Spannungsverlauf U_&uf und U^), <üe über die Verbindungen 11 und 12 dem Integrierglied 16 zugeführt werden* Die Ausgangsspannung 24 des Integriergliedes 16 (Spannung sverlauf U_1n^) wirkt über die Verbindung I3 auf den gesteuerten Spannungsteiler 17 ein, womit der zweite Regelkreis geschlossen ist·

Bei eingerastetem Phasenregelkreis ist die Frequenz f_Q des VCO 3 gleich der Eingangsfrequenz f_e· Arbeitet der VCO 3 linear, so ist dessen Steuerspannung proportional der Eingangsfrequenz f_Q und deshalb direkt als Ausgangsspannung 26 (Spannung sverlauf U) des Frequenz -Spannung s-Y/andlers verwendbar·

Im einzelnen funktioniert der Frequenz-Spannung s-W₍andler wie folgt:

Es wird zur Erläuterung davon ausgegangen, daß der gesteuerte Spannungsteiler I7 ein festes Teileverhältnis aufweist· In diesem Falle ist nur der erste Eegelkreis wirksam· Die Anstiegsflanke der Impulse 18 der Eingangsfrequenz £_Q wird in der Impulsverarbeitungsstufe 1 in Nadelimpulse 19 umgesetzt, Die Nadelimpulse 19 steuern über den Steuereingang 2,1 das als Analogwertspeicher ausgebildete AHG 2· Die Sägezahnspannung 20 des VCO 3 wird über die Verbindung 7 auf den Signaleingang 2,2 des AHG 2 gegeben. Der Momentanwert der Sägezahnspannung 20 wird zum Zeitpunkt des Nadelimpulses 19 gespeichert· Dieses gespeicherte Gleichspannungssignal 25 (Spannungsverlauf U₃. ) steht am Ausgang des AHG 2 zur Verfügung und wird über die Verbindung 5 dem Spannungsteiler und die Verbindung 6 dem VCO 3 als Steuersignal zugeführt. Im eingerasteten Phasenregelkreis (f_ = f_) wird daher die Sägezahnspannung 20 immer zum gleichen Zeitpunkt abgetastet.

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Tritt keine Frequenzänderung der Eingangsfrequenz f_e ein, "bleiben die Gleichspannungssignale 25 und 26 konstant· Verringert-sich die Eingangsfrequenz f_Q (Verlängerung der Periodendauer), wird die zunächst noch konstante Folge der Sägezahn spannung 20 (Spannungsverlauf U₀) zu einem späteren Zeitpunkt innerhalb der Periodendauer abgetastet, so daß auf Grund der abfallenden Spannung des Sägezahns eine kleinere Momentanspannung registriert und gespeichert wird· Dadurch wird der VGO 3 auf eine neue verringerte Frequenz gestellt. Bei Frequenzerhöhung laufen entsprechende Vorgänge ab·

Neben diesem ersten Regelkreis wird mit einem zweiten Regelkreis gesichert, daß im eingeschwungenen Zustand die Abtastung der Sägessahnspannung 20 (Spannungsverlauf U₀) für jede Frequenz bei dem gleichen Spannungswert erfolgt, wozu die vom VCO 3 benötigte Eingangsspannung durch Verändern des Widerstandsteilerverhältnisses bereitgestellt wird. Die notwendige Steuergröße wird folgendermaßen gewonnens Aus der Sägezahnspannung 20 wird in der Triggerstufe 14 eine Rechteckimpulsfolge 21 (Spannungsverlauf U.) geformt und diese in dem Phasendiskriminator 15 bezüglich der Phasenlage zur Eingangsfrequenz f_Q verglichen. Je nach dem, ob sie voreilend oder nacheilend ist, entstehen an den Ausgängen des Phasendiskriminators 15 Signale, die eine Spannungsänderung am Ausgang des Integriergliedes 16 bewirken und damit den gesteuerten Spannungsteiler 17 verändern· Verringert sich, wie in Fig· 2 dargestellt, die Eingangsfrequenz f. (Spannungsverlauf U_Q), so eilt deren Phase der VOO-Frequenz f_Q nach (Spannungsverlauf U₀). Der digitale Phasendi skriminator 15 liefert am Ausgang "Abwärts¹¹ Impulse 23 (Spannungsverlauf U_at), welche die Ausgangsspannung 24 des Integriergliedes 16 (Spannungsverlauf U_1n^) und damit den gesteuerten Spannungsteiler 17 so nachstellen, daß die Phasendifferenz zwischen der getriggerten VOO-Frequenz (Spannungsverlauf U^) und der Eingangsfrequenz f_Q (Spannungsverlauf U_e) gegen Null geregelt wird·

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Bei Frequenzerhöhung spielt sich ein entgegengesetzter Vorgang ab.

Im eingeschwungenen Zustand entstehen an den Ausgängen des Phasendislcciminators 15 abwechselnd Nadelimpulse 22 und 23 (Spannungsverlauf U_01n^ und U₈^ )» die eine konstante Ausgangsspannung des Integriergliedes 16 sichern.

Claims (8)

24134 7 2 _ 9 — Erfindungsanspruch

1. Schaltungsanordnung zur Frequenz-Spannungs-Wandlung nach dem PI£-Verfahren mit einem Phasendiskriminator, der als Analogwertspeicher ausgebildet ist und dessen Steuereingang den Wandlereingang bildet sowie einem spannungsgesteuerten Oszillator, wobei der Ausgang des Analogwertspeichers auf den spannungsgesteuerten Oszillator einzuwirken vermag und der Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators gleichzeitig den Wandlerausgang bildet und der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators mit dem Signaleingang des Analogwertspeichers verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Analogwertspeicher (2) und dem spannungsgesteuerten Oszillator (3) ein gesteuerter Spannungsteiler (17) angeordnet ist, wobei dessen Steuer spannung aus dem Vergleich der Eingangsfrequenz des Wandlers mit der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (3) abgeleitet ist·

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Spannungsteiler (17) aus einem ohmschen Widerstand mit einem dazu in Reihe liegenden Feldeffekttransistor besteht.

3» Schaltungsanordnung nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung der Steuerspannung des gesteuerten Spannungsteilers (17) ein frequenzinte^vnsiver Phasendiskriminator (15) mit nachgeordnetem Integrierglied (16) vorgesehen ist»

4· Schaltungsanordnung nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Integriergliedes (16) gegenüber der Periodendauer des Eingangssignals groß ist.

5· Schaltungsanordnung nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Integrierglied (16) ein Operationsverstärker verwendet wird.

6. Schaltungsanordnung nach Punkt 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zeitkonstante des Inte-

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griergliedes (16) zur Periodendauer des Eingangssignals annähernd konstant ist.

7· Schaltungsanordnung nach Punkt 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitfbestimmende Widerstand des Integriergliedes (16) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung steuerbar ist·

8· Schaltungsanordnung nach Punkt 7» dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Widerstand ein Transistor ist.

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