DE2117600C3 - Schaltung zur Umformung einer variablen Frequenz in eine proportionale Gleichspannung - Google Patents

Description

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicherschaltung aus einem Summierpunkt (13), dem die beiden Integrationsspannungen (U\*, U₂*) mit umgekehrten Vorzeichen zugeführt werden, und einem nachgeschalteten Triggerschalter (16), der bei dem Spannungswert Null am Summierpunkt (13) einen Impuls zur Anschaltung des dritten Schalters (17) und zur Rückstellung des zweiten Integrators (14) mit der Frequenz (I₂) abgibt, aufgebaut ist.

3. !Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Eingangsfrequenz (f\) von einem Impulsgeber (9) abgenommen wird und daß die frequenzproportionale Ausgangsgleichspannung (Uac), von einem Tiefpaßfilter (5) geglättet, Meß- und/oder Regeiungszwecken dient

50

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Umformung einer variablen Frequenz in eine proportionale Gleichspannung, bei der eine konstante Gleichspannung mit einer ersten Zeitkonstanten für die der variablen Frequenz entsprechende Periodendauer aufintegriert und der dabei erreichte Spannungswert in einem Halteglied gespeichert wird.

Zur Umsetzung einer variablen Frequenz, etwa einer drehzahlproportionalen Impulsfrequenz eines Drehzahlgebers, ist es eine gebräuchliche Methode, eine konstante Gleichspannung über einen Schalter mit konstanter Schließzeit, d.h. also für eine konstante Zeitdauer, an den Gleichspannungsausgang anzuschalten, und zwar im Rhythmus der variablen Frequenz. Die Schaltfrequenz dieses Schalters ist also gleich der variablen Impulsfrequenz. An diesem Schalter ist ein Widerstand angeschlossen, dessen Klemmen den Gleichspunnungsausgang bilden und an denen die frequenzproportionale Gleichspannung gemessen wird. Der arithmetische Mittelwert der Gleichspannung am Widerstand ist der angelegten Gleichspannung, der konstanten Schließzeit und der Schaltfrequenz proportional.

Die konstante Schließzeit wird kleiner oder gleich dem Reziprokwert der maximalen variablen Frequenz gewählt Somit ergibt sich eine Ausgangsgleichspannung, die maximal gleich der anzuschaltenden Gleichspannung isL

Der gewünschten frequenzproportionalen Gleichspannung sind unerwünschte Wechselspannungen mit der Grundfrequenz, d.h. der umzuwandelnden Eingangsfrequenz, und deren Oberwellen überlagert. Die Amplituden dieser Wechselspannungen müssen von einem nachgeschalteten Tiefpaß-Filter ausreichend stark gedämpft werden. Andererseits soll aber der zeitliche Verlauf der Ausgangsgleichspannung möglichst genau, d. h. schnell, der zeitlichen Änderung der umzuwandelnden Impulsfrequenz folgen. Dies sind zwei Forderungen, die sich widersprechen. Die Grenzfrequenz des Tiefpaß-Filters muß unterhalb der kleinsten umzuwandelnden Impulsfrequenz liegen. Das bedeutet aber, daß die Bandbreite für das Nutzsignal nur bis zu dieser Grenzfrequenz herunterreicht Daraus ergeben sich, insbesondere bei kleinen und kleinsten variablen Ejngangsfrequenzen, enorme Anforderungen an die Qualität des angeschlossenen Tiefpaß-Fiiiers. Wenn überhaupt, so kann das nur mit einem erheblichen Aufwand erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei der Umwandlung einer variablen Frequenz in eine proportionale Gleichspannung, insbesondere bei kleinen und kleinsten Eingangsfrequenzen, den Aufwand an der Filterschaltung auf ein Minimum herabzudrücken und trotzdem eine möglichst verzerrungsfreie Übertragung bzw. ein rasches Ansprechen auf Frequenzänderungen bei geringer Restwelligkeit des Nutzsignals zu ermöglichen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 18 05 564 ist eine Schaltung zur Messung niedriger Frequenzen bekannt, bei welcher die Voraussetzungen geschaffen werden sollen, um am Ausgang eine einfache Glättungsschaltung verwenden zu können. Bei dieser bekannten Schaltung wird ein Kondensator im Takte der zu messenden Eingangsfrequenz entladen, so daß die an ihm abnehmbare Sägezahnspannung umgekehrt proportional zur steuernden Eingangsfrequenz ist. Die hieraus abgeleitete Gleichspannung wird kurzzeitig gespeichert und dient zur Steuerung der Frequenz eines Impulsgenerators, welcher aus einem Widerstand, einem Kondensator und einem Unijunction-Transistor aufgebaut ist. Der als Schwellwertschalter dienende Transistor gibt mehr Impulse ab, wenn die Spannung am Widerstand dieses Impulsgenerators höher ist, weil die notwendige Schweilwertspannung am Kondensator des Generators schneller bzw. öfter erreicht wird. Ist umgekehrt die Spannung niedriger, was einer niedrigeren Spannung am ersten Kondensator und dementsprechend einer höheren Eingangsfrequenz entspricht, wird der Kondensator des Impulsgenerators weniger oft aufgeladen. Somit wird die Schaltfrequenz niedriger, die als Eingangsfrequenz einem Monoflop zugeführt wird und somit umgekehrt proportional zur zu messenden Fingangsfrequenz ist. Das Monoflop liefert an seinem Ausgang Impulse, die zur periodischen Entladung eines weiteren Kondensators dienen, dessen Amplitude umgekehrt proportional zur Frequenz des Monoflops

und proportional zur umzuwandelnden Eingangsfrequenz ist.

Obwohl es aus dieser bekannten Schaltung bekannt ist, die Eingangsfrequenz in eine direkt proportionale Gleichspannung umzuwandeln, löst die Erfindung die obengenannte Aufgabe aufgrund einer gänzlich anderen Wirkungsweise und mit anderen elektrischen Mitteln sowie mit einem einfacheren Aufbau.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei der eingangs genannten Schaltung dadurch gelöst, daß ein zweiter Integrator zur Aufintegrierung einer konstanten Gleichspannung mit einer zweiten Zeitkonstanten vorgesehen ist, daß eine Vergleicherschaltung für die am Ausgang des Haltegliedes anstehende erste Integrationsspannung und die am Ausgang des zweiten Integrators anstehende zweite Integrationsspannung vorgesehen ist, daß ein Schalter mit einer jeweils konstanten Einschaltzeitdauer vorgesehen ist, der eine konstante Gleichspannung an den Gleichspannungsausgang anschaltet, daß dieser Schalter von der Vergleicherschaltung bei Übereinstimmung der Werte der Integrationsspannungen geschaltet wird, wobei durch diesen Schaltimpuls gleichzeitig der zweite Integrator rückgestellt wird, und daß die erste Zeitkonstante um ein Vielfaches größer ist als die zweite Zeitkonstante.

Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung wird der entscheidende Vorteil erzielt, daß die Grenzfrequenz des Tiefpaß-Filters so hoch gelegt werden kann, wie es für eine weitgehend verzerrungsfreie Übertragung des Nutzsignals bzw. für ein rasches Ansprechen auf Frequenzänderungen bei geringer Restwelligkeit des Nutzsignals bei einem Minimum an Filteraufwsnd erforderlich ist

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung, die wenig Aufwand für die Vergleicherschaltung erfordert, ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Vergleicherschaltung aus einem Summierpunkt, dem die beiden Integrationsspannungen mit umgekehrtem Vorzeichen zugeführt werden, und einem nachgeschalteten Triggerschalter, der bei dem Spannungswert _4Ü Null am Summierpunkt einen Impuls zur Anschaltung des dritten Schalters und zur Rückstellung des zweiten Integrators mit der zweiten Frequenz abgibt, aufgebaut ist.

Vorteilhafterweise wird bei der erfindungsgemäßen Schaltung die variable Eingangsfrequenz von einem Impulsgeber abgenommen, beispielsweise einem Tachometergenerator, und die frequenzproportionale Ausgangsgleichspannung von einem Tiefpaß-Filter geglättet, zu Meß- und/oder Regelungszwecken verwendet. Jedoch ist die erfindungsgemäße Schaltung nicht auf diesen Anwendungszweck beschränkt.

Im folgenden ist anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels die erfindungsgemäße Schaltung zur Umwandlung einer variablen Frequenz in eine proportionale Ausgangsgleichspannung näher erläutert Die Figuren zeigen im einzelnen:

F i g. 1 schematisch eine übliche Schaltung mit nachgeschaltetem Tiefpaß-Filter,

F i g. 2 ein Diagramm von Gleichspannungsimpulsen über der Zeitachse,

Fig.3 ein Blockschaltbild einer Schaltung gemäß vorliegender Erfindung.

In Fig. 1 ist eine übliche Schaltung gezeigt, wie sie eingangs beschrieben wurde. Eine konstante Gleich- 6s Spannungsquelle 1 mit der Spannung LO ist über einen Schalter 2 an einen Widerstand 3 anschaltbar. Der Schalter 2 wird mit der variablen Frequenz f\ geschlossen, wobei dieser Schalter 2 für eine ganz bestimmte, konstante Zeitdauer U> geschlossen bleibt Dabei darf die der Eingangsfrequenz f\ entsprechende Zeitdauer t\ nie kleiner sein als die konstante Schließzeitdauer fo des Schalters Z An den Widerstand 3 der mit 4 bezeichneten Wandlerschaltung ist ein Tiefpaß-Filter 5 angeschlossen, von dessen Ausgangsklemmen dann die gefilterte frequenzproportionale Gleichspannung abgenommen und weiterverwendet ■werden kann.

Das Tiefpaß-Filter 5 weist eine Durchiaßcharakteristik mit der Grenzfrequenz f_g auf, die in das schematisch dargestellte Tiefpaß-Filter 5 eingezeichnet ist Diese Grenzfrequenz f_g muß bei kleinen und kleinsten Eingangsfrequenzen Z₁ noch kleiner als diese sein, um ein rasches Ansprechen auf Frequenzänderungen bei geringer Restwelligkeit des Nutzsignals zu ermöglichen. Dies verursacht den erheblichen und unerwünschten Aufwand für das Tiefpaß-Filter 5.

In Fig.2 sind über der Zeitachse / In. ise der Spannungshöhe LO mit der konstanten Zeitdauer to des Schalters 2 dargestellt, die im Rhythmus der variablen Eingangsfrequenz f\ an den Gleichspannungsausgang der Wandlerschaltung 4 bzw. an den Eingang des Tiefpaß-Filters 5 angeschaltet werden. Daraus ergibt sich, daß die Ausgangsgleichspannung Uag proportional der Gleichspannung LO, der konstanten Einschaltzeitdauer fo und der variablen Eingangsfrequenz /i ist. Diese Ausgangsgleichspannung Uag ist in dem in F i g. 2 gezeigten Diagramm als gestrichelte Linie eingezeichnet

Eine erfindungsgemäße Schaltung ist als Blockschaltbild in Fig.3 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung betrifft die Wandlerschaltung 4, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist, also ohne das Tiefpaß-Filter 5, das in Fig. 3 nicht dargestellt ist

Eine Gleichspannungsquelle 6 ist an einen ersten Integrator 7 mit der Integrationszeitkonstanten τί angeschlossen. Am Ausgang des Integrators 7 steht die Spannung Ux an. die einem ersten Schalter 8 zugeführt wird. Dieser Schalter 8 wird von der umzuwandelnden variablen Frequenz f\ angesteuert und betätigt Die Frequenz f\ kann beispielsweise von einem Impulsgeber 9 erzeugt werden. Ebenso wie der Schalter 8 wird ein zweiter Schalter 11, dessen Ausgang auf den ersten Integrator 7 geführt ist, von der variablen Frequenz /Ί angesteuert und betätigt, wozu er beispielsweise an den Taktausgang des Schalters 8 angeschlossen sein kann. Der Ausgang des Schalters 8 ist an ein Halteglied 12 angeschlossen, an dessen Ausgang eine Gleichspannung U]* ansteht Diese Spannung U-* wird auf einen Summierpunkt 13 geführt. Diesem Summierpunkt 13 wird eine weitere Spannung Ui* mit umgekehrter Polarität zugeführt Die Spannung U₂* steht am Ausgang eines zweiten Integrators 14 an, an dessen Eingang eine Gleichspannungsquelle 15 angeschlossen ist. Aus Vereinfachungsgründen weist diese Gleichspannungsquelle wieder die Spannung Uo auf. Der zweite Integrator 14 integriert diese Spannung LO mit einer zweiten Zeitkonstanten T₂ auf, die erfindungsgemäß wesentlich kleiner ist als die erste Zeitkonstante τχ des ersten Integrators 7.

Der Summierpunkt 13 ist auf den Eingang eines Triggerschalters 16 geführt, an dessen Ausgang immer dann Impulse anstehen, wenn am Summierpunkt 13 der Spannungswert Null vorliegt, das heißt, wenn die mit verschiedener Polarität zugeführten Spannungen Ux* und t/2* den gleichen Wert aufweisen. Die Ausgangsim-

pulse des Triggerschalters 16 werden zum einen dem zweiten Integrator 14 zur Rückstellung und zum anderen einem dritten Schalter 17 zugeführt. Der Schalter 17 hat eine konstante Schließzeit mit der Zeitdauer ίο und schaltet, wenn er durch die Impulse des Triggerschalters 16 eingeschaltet wird, eine Gleichspannung Uo einer Gleichspannungsquelle 18 an den Gleichspannungsausgang 19 der Wandlerschaltung an.

Die Ausgangsimpulse des Schalters 17 weisen die Frequenz fj auf, mit der die Ausgangsimpulse am ι ο Triggerschalter 16 anstehen. Diese Frequenz f₂ entspricht der variablen Frequenz /Ί multipliziert mit dem Quotienten aus der ersten Zeitkonstanten ri und der zweiten Zeitkonstanten τ₂. Da ri erfindungsgemäß wesentlich größer ist als T₂, ist die Frequenz h um ein ι s Vielfaches gegenüber der variablen Eingangsfrequenz f\ erhöht.

Am Gleichspannungsausgang 19 steht demnach eine Gleichspannung Uag an, deren zeitlicher Mittelwert der Gleichspannung Uo der Gleichspannungsquelle 18, der konstanten Schließzeitdauer /0 des dritten Schalters 17 und der Frequenz f₂ proportional ist.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist folgende: Die am Integrator 7 anstehende Gleichspannung Uo wird mit der Zeitkonstanten τ\ so lange aufintegriert, bis der Schalter 8 von der variablen Eingangsfrequenz f\ angesteuert wird. Die Inlegrationszeit für die Spannung LO beträgt demnach t\ = \lf\. Die bei Ende dieser Integration erreichte Spannung

wird dem Halteglied 12 zugeführt und von diesem gespeichert. Gleichzeitig wird mit der Ansteuerung des Schalters 8 durch die variable Eingangsfrequenz f\ über den Schalter 11 der erste Integrator 7 rückgestellt, so daß eine erneute Integration der Gleichspannung LO der Spannungsquelle 6 mit der ersten Zeitkonstanten η erfolgt.

Der zweite Integrator 14 integriert mit der zweiten Zeitkonstanten τι die Gleichspannung LO der Gleichspannungsquelle 15 auf. Diese Aufintegrierung dauert so lange, bis der Spannungswert der ersten Integration U]* mit dem der zweiten gleich ist. Dies deshalb, weil dem Summierpunkt 13 die erste Integrationsspannung U\* und die zweite Integrationsspannung Ui* mit umgekehrtem Vorzeichen zugeführt werden, der Triggerschalter 16 immer dann einen Impuls abgibt, wenn am Summierpunkt 13 die Spannung Null ist und dabei dann den zweiten Integrator 14 zurückstellt, so daß eine erneute Aufintegrierung der Spannung LO der Gleichspannungsqueile 15 mit der zweiten Zeitkonstanten V2 erfolgt.

Gleichzeitig mit der Rückstellung des zweiten Integrators 14 erfolgt durch den Ausgangsimpuls des Triggcrschalters 16 die Anschaltung der Gleichspannung Ua der Gleichspannungsquelle 18 an den Gleichspannungsausgang 19 für die konstante Zeitdauer k des Schalters 17. Die Ausgangsimpulse des Schalters 17 weisen die Frequenz h auf, mit der die Ausgangsimpulse am Triggerschalter 16 anstehen. Diese Frequenz /₂ entspricht der variablen Eingangsfrequenz I_x multipliziert mit dem Quotienten aus der ersten Zeitkonstanten ti und der zweiten Zeitkonstanten τι. Da X\ erfindungsgemäß wesentlich größer ist als τι, ist die Frequenz h um ein Vielfaches gegenüber der variablen Eingangsfrequenz /1 erhöht.

Am Gleichspannungsausgang 19 steht demnach eine Gleichspannung Uac an, deren zeitlicher Mittelwert der Gleichspannung LO der Gleichspannungsquelle 18, der konstanten Schließzeitdauer f₀ des Schalters 17 und der Frequenz h proportional ist.

Diese Ausgangsgleichspannung Uag -wird nunmehr mit der um ein Vielfaches gegenüber der Eingangsfrequenz f\ erhöhten Frequenz f\ an das nachgeschaltete Tiefpaß-Filter gegeben, so daß dessen Grenzfrequenz f_g so gewählt werden kann, daß der Filteraufwand auf ein Minimum beschränkt ist. Die Erhöhung dieser Grenzfrequenz fg hängt dabei von dem Quotienten der ersten Zeitkonstanten τ_χ und der zweiten Zeitkonstanten X₂ ab, dessen Grenze nur durch die Trägheit der verwendeten Schalter begrenzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprache:

1. Schaltung zur Umformung einer variablen Frequenz in eine proportionale Gleichspannung, bei der eine konstante Gleichspannung mit einer ersten Zeitkonstanten für die der variablen Frequenz entsprechende Periodendauer aufintegriert und der dabei erreichte Spannungswert in einem Halteglied gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Integrator (14) zur Aufintegrierung einer konstanten Gleichspannung (Uo) mit einer zweiten Zeitkonstanten (τ₂) vorgesehen ist, daß eine Vergleicherschaltung (13) für die am Ausgang des Haltegliedes (12) anstehende erste Integrationsspannung (Ui*) und die am Ausgang des zweiten Integrators (14) anstehende zweite Integrationsspannung (U₂*) vorgesehen ist, daß ein Schalter (17) mit einer jeweils konstanten Einschaltzeitdauer (to) vorgesehen ist, der eine konstante Gleichspannung (Uo) an den Gleichspannungsausgang (19) anschaltet, daß dieser Schalter (17) von der Vergleicherschaltung bei Übereinstimmung der Werte der Integrationsspannungen (U\*, U₂*) geschaltet wird, wobei durch diesen Schaltimpuls gleichzeitig der zweite Integrator (14) rückgestellt wird, und daß die erste Zeitkonstante (m) um ein Vielfaches größer ist als die zweite Zeitkonstante