DE2439446C3 - Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein Rechtecksignal mit einem entsprechenden Tastverhältnis - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein Rechtecksignal mit einem entsprechenden TastverhältnisInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein Rechtecksignal mil einem entsprechenden Tastverhältnis
unter Verwendung eines rückgekoppelten Operationsverstärkers mit einem ersten und zweiten Eingang
und mit einem Ausgang für ein von der Differenz der beiden Eingangssignale abhängiges Ausgangssignal.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Schaltungsordnung anzugeben, mit der
mit möglichst wenig Aufwand eine verluatarme elektronische
Anzeige für den Analogwert einer Spannung insbesondere als Meßgröße bewerkstelligt werden kann.
Dabei soll beispielsweise die Brückenspannung einer Meßbrücke oder eine sonstige Differenzspannung in
eine Rechteckspannung beliebiger Frequenz umgewandelt werden, deren Tastverhältnis ein Maß für die
Größe des eingespeisten Analogwerts ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß am ersten Eingang des Operationsverstärkers
ein Eingang für den analogen Spannungswert liegt, daß der zweite Eingang des Operations-Verstärkers
ein Vergleichspotential führt und daß zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und
dem zweiten Eingang ein Mitkopplungszweig und ein Gegenkopplungszweig liegen, wobei das Vergleichspotential durch die Mitkopplung erniedrigt und durch
die Gegenkopplung erhöht wird, die durch die Gegenkopplung verursachte Änderung des Vergleichspotentials
größer und zeitverzögert ist gegenüber der durch die Mitkopplung verursachten Änderung des Vergleichspotentials
und das Verhältnis der Zeitverzöge-
rungen für die Änderung des Vergleichspotentials in beide Richtungen bis zum jeweiligen Umschalten des
Operationsverstärkers dem analogen Spannungswert entspricht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mit dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers
ein Eingang für eine Vergleichsspannung in Verbindung steht, mit der die Grenzen der Zeitverzögerung
festgelegt werden. Während innerhalb eines bestimmten Bereichs das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers eine Rechteckspannung mit dem Eingangssignal entsprechendem Tastverhältnis ist, hat
es außerhalb dieses Bereichs einen jeweils konstanten Wert Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
läßt sich damit zusätzlich zu einer Schwellenwertanzeige verwenden.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß die zur Schwingungserzeugung
notwendigen Rückkopplungen mit demselben Eingang des Operationsverstärkers verbunden
sind, während der andere Eingang des Operationsverstärkers für den analogen Spannungswert rückwirkungsfrei
bleibt und damit einen Meßwert nicht beeinflußt.
An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Aus-
An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Aus-
•)5 führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
soll die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen die
Fig. 1 eine prinzipielle Ausführung, die
Fig. 2 den dazugehörigen Spannungsverlauf an dem Verzögerungsglied im Gegenkopplungszweig und am Ausgang des Operationsverstärkers Und die
Fig. 1 eine prinzipielle Ausführung, die
Fig. 2 den dazugehörigen Spannungsverlauf an dem Verzögerungsglied im Gegenkopplungszweig und am Ausgang des Operationsverstärkers Und die
F i g, 3 eine konkrete Ausführung einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung für ein sogenanntes Eiswarngeräti
Ein Operationsverstärker 1 besitzt zwei Eingänge 2 und 3, wöVöri der erste 2 der invertierende Eingang des
Operationsverstärkers ί und der zweite 3 der nichtinvertierende
ist, und einen Ausgang 4. Der Eingang 2 des
Operationsverstärkers 1 ist mit einem Eingang 5 der Schaltungsanordnung für eine analoge Eingangsspannung
UE verbunden. Der andere Eingang 3 des Operationsverstärkers
1 liegt über einen ohmschen Widerstand 6 am Ausgang 4. Dieser Ausgang 4 ist über einen
ohmschen Widerstand 7 mit einem Anschluß 8 für eine positive Betriebsspannung verbunden und liegt außerdem
über einen ohmschen Widerstand 9 an der Basis eines Transistors 10 vom pnp-Typ, dessen Emitter mit
der Betriebsspannungsquelle 8 verbunden ist Der KoI-lektor
des Transistors 10 führt über einen ohmschen Widerstand 11 zum Bezugspotential. Mit diesem Bezugspotential
verbunden ist außerdem die eine Seite eines Kondensators 12, dessen andere Seite - in der
Zeichnung ist dieser Punkt mit 16 bezeichnet - über einen ohmschen Widerstand 13 am Eingang 3 des Operationsverstärkers
1, über einen ohmschen Widerstand 14 am Kollektor des Transistors 10 und über einen ohmschen
Widerstand 15 an einem Eingang 30 für eine externe Vergleichsspannung UT liegt Das Potential an dem
Punkt 16 ist mit Uc, das Potential am Eingang 3 des Operationsverstärkers
1 mit Un bezeichnet, die Betriebsspannung
ist mit t/s, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
4 mit UA bezeichnet
In der Fig. 2 sind der zeitliche Verlauf des Potentials
Uc am Punkt 16 und der zeitliche Verlauf der dazugehörigen Ausgangsspannung U4 des Operationsverstärkers
1 dargestellt; dies für drei repräsentative Zustände innerhalb des Bereichs, in dem das Tastverhältnis
dem Eingangssignal entspricht:
l.Für den Fall, wo die analoge Eingangsspannung U1
etwas unterhalb der externen Vergleichsspannung U1
liegt.
2. wo die analoge Eingangsspannung UE klein ist gegenüber
der Vergleichsspannung U1 und
3.WO sie groß ist gegenüber der analogen Vergleichsspannung UT.
In dem einen Schaltmoment d.h. an der negativen Flanke der Ausgangsspannung U4 des Operationsverstärkers
1, wo sie einen niedrigen Wert annimmt, wird über die Mitkopplung über den ohmschen Widerstand
6 das Vergleichspotential Un am Eingang 3 des Operationsverstärkers
1 gesenkt, am Punkt 16 das Potential U1
jedoch über der Gegenkopplunnzweig erhöht, weil der Transistor 10 leitend geworden ist Die Erhöhung
dieses Potentials U( am Punkt 16 erfolgt jedoch nicht
gleichzeitig, da der Kondensator 12 erst aufgeladen werden muß. Von dem Moment aber, wo die Gegenkopplung
zeitverzögert wirksam geworden ist, läßt sich über den ohmschen Widerstand 13 das Vergleichspotential
Us am Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 ansteigen,
so daß dieser wieder in seinen anderen Zustand umschaltet und un seinem Ausgang 4 eine Ausgangsspannung
U., mit hohem Wert führt. Danach entlädt sich der Kondensator 12 über die ohmschen Widerstände
14 und 11, bis der Operationsverstärker 1 wieder anspricht und sich der Vorgang wiederholt. Aus der
Fig. 2 läßt sich das sich ändernde Tastverhältnis der Ausgangsspannung UA in Abhängigkeit von der analogen
Eingangsspannung £/£ innerhalb der wählbaren
Grenzen Ucmin und ÜCmax erkennen. Die tatsächliche
Potentialänderung AUc ist dabei unabhängig von der
Höhe der analogen Eingangsspannung UE und entspricht
immer der durch die Mitkopplung verursachten gleichbleibenden Potentialänderung AUn, Da aber die
Ladung des Kondensators 12 unabhängig vom Niveau UE
immer bezogen auf das Potential UCnmx und die Entla^
30
35 dung auf UCmi„ erfolgt, ergeben sich unterschiedliche
Lade- und Entladezeiten, deren Verhältnis dem Wert der analogen Eingangsspannung £/£ entspricht Am
Ausgang 4 des Operationsverstärkers 1 steht dann eine rechteckförmige Spannung £/,, mit der Eingangsspannung
UE entsprechendem Tastverhältnis zur Verfugung.
Damit die Schwingungen in dem Bereich, in dem das Tastverhältnis der analogen Eingangsspannung entspricht,
aufrechterhalten werden, muß bei der Dimensionierung der Bauelemente folgendes beachtet werden.
Die durch die Mitkopplung verursachte Potentialänderung AUn am Eingang 3 des Operationsverstärkers
1 muß klein sein im Vergleich zu der rechnerischen statischen Potentialänderung AUn durch die Gegenkopplung
innerhalb des Bereichs zwischen U1 max und
Utmw. Liegt der Wert der analogen Eingangsspannung
UE dazwischen, dann bleibt der Verstärker schwingfahig.
Ist die analoge Eingangsspannung t/£ kleiner als
das Potential U1 min bezogen auf A?s Bezugspotential,
dann bleibt der Operationsverstärkei 1 dauernd gesperrt;
ist dagegen die analoge Eingangsspannung Ut größer
als Ucmax' so ist die Ausgangsspannung U4 am Ausgang
4 des Operationsverstärkers 1 ständig auf niedrigem Niveau. Außerhalb des genannten Bereiches dient
dami. die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Grenzwertanzeige. Der Ruhewert für das Potential U1
wird durch die konstante externe Vergleichsspannung U1
bestimmt
Unter der Voraussetzung einer konstanten externen Vergleichsspannung U1, die etwa die halbe Größe der
Betriebsspannung i/s hat, sind die im Folgenden angegebenen
Dimensionierungsformeln vorteilhaft.
Denkt man sich das von der analogen Eingangsspannung Ut am Eingang 2 stehende Potential wesentlich
negativer als das Vergleichspotential ί/Λ, ist der
Operationsverstärker 1 gesperrt Das Potential Uc am
Punkt 16 wird negativer sein als das Potential am Eingang 30 der externen Vergleichsspannung U1. Trifft
man die Vereinfachung Ur/R\4>Us/Rb, dann gilt für
d*s Potential U1 am Punkt 16 die Gleichung
Λ |4 "Γ A j <; + A JI
Das Vergleichspotential Un am nichtinvertierenden
Eingang 3 des Operationsverstärkers 1 ist um den Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 13 höher als am
Kondensator 12.
■R^
Erhöht man die Eingangsspannung Ut auf den Wert
Uf>UN, dann wird der Operationsverstärker 1 leitend,
und seine Ausgangsspannung U4 wird niedrig. Der
Transistor 10 wird über den ohmschen W'derstand 9
ebenfalls leitend. Im K ippmoment wird das Vergleichspotential Un um den Betrag
AUn =
■R,
niedriger als das Potential £/cam Punkt 16. Der Kondensator
12 wird aber gleichzeitig über den Transistor 10 und über den ohmschen Widerstand 14 nachgeladen, so
daß das Potential £/cam Punkt 16 gewissermaßen nachwächst.
Der mögliche höchste Wert für Uc ergibt sich
Das Potential Uc am Punkt 16 wird allerdings nicht
diesen Betrag erreichen, da der Operationsverstärker 1 bereits nach dem Aufladen des Kondensators 12 um
den Betrag AUn wieder abschaltet, das Vergleichspotential Un über die Mitkopplung über den ohmschen
Widerstand 6 wieder anhebt und den Transistor 10 in den nichtleitenden Zustand schaltet.
Aus der Fig. 2 ersieht man, daß die Schwingbedingung
auch für höhere Eingangsspannung UE eingegrenzt ist.
Für Werte UEmax ist der Operationsverstärker 1
dauernd eingeschaltet. Aus der Fig. 2 ist für eine steigende Eingangsspannung UE die Veränderung des Tastverhältnisses
des Potentials Uc zu erkennen. Bei steigender Kurve für Uc ist der Operationsverstärker 1 eingeschaltet,
während er bei fallender Kurve ausgeschaltet ist. Die Änderung des Tastverhältnisses beruht
darauf, daß sich der Kondensator 12 immer auf den maximal möglichen Wert oder den minimal möglichen
Wert auf- oder entladen möchte, die an ihm stehende Spannung aber tatsächlich lediglich um den Betrag A Un
pendelt. Zwischen der analogen Eingangsspannung UE
und dem Tastverhältnis der Rechteckspannung UA besteht
ein linearer Zusammenhang, wenn die Ladezeitkonstante etwa der Entladekonstante entspricht. In
diesem Fall ist der ohmsche WiderstandswertRU<R14
zu wählen. Der ohmsche Widerstand 11 kann auch als Ladewiderstand verwendet werden.
Die Schwingfrequenz wird wesentlich durch die Wahl des Kondensators 12 bestimmt. Angenähert gilt für die
Frequenz bei gleichem Tastverhältnis
J ma\
Us_
Durch geeignete Dimensionierung kann man den Funktionsbereich zwischen UEmin und UEmax einengen
oder ausweiten. Die Schalthysterese AUn engt den
Funktionsbereich AUE ein, daher muß
sein. Bei den üblichen heute bekannten Operationsverstärkern
soll L^v «50 .... 200 mV betragen.
In der Fig. 3 ist eine konkrete Anwendung einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung für eine Warnanzeige dargestellt Die dabei verwendete Warnlampe
blinkt ab einem genau bestimmten Grenzwert nur kurz auf. Bei gfößefcn Gcfahfenweftefi wird die HellpKase
immer langer; schließlich brennt die Warnlampe
oberhalb eines bestimmten Grenzwerts dauernd. Als Beispiel ist ein Eiswarngerät gewählt Der prinzipielle
ί Aufbau entspricht der in der Fig. 1. Wieder sind enthalten
ein Operationsverstärker 1 mit den beiden Eingängen 2 und 3 und dem Ausgang 4. Ferner sind enthalten
die Quelle 5 für die analoge Eirigangsspannung UE,
der ohmsche Mitkopplüngswiderstand 6( der An-
(O schlüß 8 für eine positive Betriebsspannung in diesem
Fall von 12V, der ohmsche Widerstand 9 zwischen dem Ausgang 4 des Operationsverstärkers 1 und der Basis
des Transistors 10, der Kondensator 12, und die vom Kondensator 12 d. h. vom Punkt 16 zum Eingang 3 des
is Operationsverstärkers 1, zum Kollektor des Transistors
10 und zum Eingang 30 für die externe Vergleichsspannung Ut führenden ohmschert Widerstände 13,14 und 15.
Der Anschluß 8 für die Betriebsspannung ist über ein
/äC-Qüed, Ana aye pjnprn Qu6rkondCP-S3!or 17 Und 3'_I<:
einem ohmschen Längswiderstand 18 besteht, an einer Klemme 19 für eine positive Betriebsspannung von 12 V
angeschlossen. Die Basis des Transistors 10 liegt über einen ohmschen Widerstand 20 an dem Anschluß 8.
Als Ausgang der Schaltungsanordnung dient ein An-Schluß 21, der mit dem Kollektor des Transistors 10 verbunden
ist. Der Operationsverstärker 1 ist für seine Versorgungsspannung mit dem Bezugspotential und mit
dem Betriebsspannungsanschluß 8 verbunden. Zum Einspeisen der externen Vergleichsspannung Uj ist der
ohmsche Widerstand 15 mit dem Teilerpunkt eines zwischen Bezugspotential und Betriebsspannungsanschluß
8 gelegten und aus der Reihenschaltung aus zwei ohmschen Widerständen 22 und 23 bestehenden Spannungsteilers
verbunden. Der Eingang 5 für die analoge Eingangsspannung UE liegt am Teilerpunkt eines
zwischen Bezugspotential und Betriebsspannungsanschluß 8 gelegten Spannungsteilers, der aus der Reihenschaltung
eines Heißleiters 24 und eines einstellbaren ohmschen Widerstandes 25 besteht An den Ausgang21
der Schaltungsanordnung sind zur Anzeige alternativ eine Leuchtdiode 26 mit Serienvorschaltwiderstand 27
und Parallelvorschaltwiderstand 28 und eine Anzeigelampe 2v geschaltet
Mit dem Heißleiter 24 wird die Temperatur gemessen. Ab einer Schwelle, d.h. ab einer zu warnenden Temperatur tritt der Wandler in Funktion und schaltet die Kontrollampe 29 bzw. die Leuchtdiode 26 bei kleiner Tastzeit nur kurzzeitig eia Bei weiter sinkender Temperatur wird die Einschaltzeit der Kontrollampe 29
Mit dem Heißleiter 24 wird die Temperatur gemessen. Ab einer Schwelle, d.h. ab einer zu warnenden Temperatur tritt der Wandler in Funktion und schaltet die Kontrollampe 29 bzw. die Leuchtdiode 26 bei kleiner Tastzeit nur kurzzeitig eia Bei weiter sinkender Temperatur wird die Einschaltzeit der Kontrollampe 29
so bzw. der Leuchtdiode 26 immer länger; bei Überschreiten einer unteren Schwelle, also beim Eiswairierät bei
Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes, leuchtet die Warnlampe 29 bzw. die Leuchtdiode 26 ständig auf.
Die Erfindung ist nicht auf das angeführte Ausfüh-
rungsbeispiei beschränkt Beispielsweise ist eine erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung auch einsetzbar bei einem mit Feldplatten ausgerüsteten Druckwertaufnehmer.
Es wird damit eine verlustarme Anzeige mit billigen Kreuzspulinstrumenten ermöglicht
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Schaltungsordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein Rechtecksignal
mit einem entsprechenden Tastverhältnis unter Verwendung eines rückgekoppelten Operationsverstärkers
mit einem ersten und zweiten Eingang und mit einem Ausgang für ein von der Differenz
der beiden Eingangssignale abhängiges Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten
Eingang (2) des Operationsverstärkers (1) ein Eingang (5) für den analogen Spannungswert (U£)
liegt, daß der zweite Eingang (3) des Operationsverstärkers (1) ein Vergleichspotential (Un) führt und
daß zwischen dem Ausgang (4) des Operationsverstärkers (1) und dem zweiten Eingang (3) ein Mit-Jcopplungszweig
und ein Gegenkopplungszweig liegen, wobei das Vergleichspotential (i/v) durch die
Mitkopplung erniedrigt und durch die Gegenkopplung erhöht wird, die durch die Gegenkopplung verursachte
Änderung des Vergleichspotentials (U*) größer und zeitverzögert ist gegenüber der durch die
Mitkopplung verursachten Änderung des Vergleichspotentials (i/v) und das Verhältnis der Zeitverzögerungen
für die Änderung des Vergleichspotentials (t/v) in beide Richtungen bis zum jeweiligen
Umschalten des Operationsverstärkers (1) dem analogen Spannungswert (Ue) entspricht.
2. Schaltungsordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem zweiten Eingang (3)
des Operationsverstärkers (V ein Eingang (30) für eine Vergleichsspannurg (UT) in Verbindung steht,
mit der die Grenzen dei Zei'.erzögerung festgelegt werden.
i. Schaltungsordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang (2) des Operationsverstärkers
(1) ein invertierender Eingang und der zweite (3) ein nichtinvertierender Eingang
ist, daß im Mitkopplungszweig ein ohmscher Widerttand
(6) liegt, daß der Ausgang (4) über einen ohmtchen Widerstand (7) mit einem Anschluß (8) für
eine Betriebsspannung verbunden ist, daß der Gegenkopplungszweig aus einem Transistor (10) und
aus einem ÄC-Glied besteht, wobei die Basis des Transistors (10) über einen ohmschen Widerstand
(9) mit dem Ausgang (4) des Operationsverstärkers (1), der Emitter an den Anschluß (8) für die Betriebsspannung
und der Kollektor über einen ohmfchen Widerstand (11) am Bezugspotential liegen,
ein Kondensator (12) einerseits auf Bezugspotential liegt und andererseits über je einen ohmschen Widerstand
(13 bzw. 14, 15) mit dem zweiten Eingang (3) des Operationsverstärkers (1), mit dem Kollek or
des Transistors (10) und mit dem Eingang (30) für die Vergleichsspannung U1 verbunden ist und wobei
der Wert des zwischen Kollektor und Kondensator (12) liegenden ohmschen Widerstandes (14) sehr
groß ist gegenüber dem des /wischen Kollektor und Bezugspotential liegenden ohmschen Widerstandes
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19742439446 DE2439446C3 (de) | 1974-08-16 | 1974-08-16 | Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein Rechtecksignal mit einem entsprechenden Tastverhältnis |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19742439446 DE2439446C3 (de) | 1974-08-16 | 1974-08-16 | Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein Rechtecksignal mit einem entsprechenden Tastverhältnis |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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DE2439446A1 DE2439446A1 (de) | 1976-02-26 |
DE2439446B2 DE2439446B2 (de) | 1980-04-30 |
DE2439446C3 true DE2439446C3 (de) | 1981-01-22 |
Family
ID=5923406
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19742439446 Expired DE2439446C3 (de) | 1974-08-16 | 1974-08-16 | Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines analogen Spannungswerts in ein Rechtecksignal mit einem entsprechenden Tastverhältnis |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE2439446C3 (de) |
Families Citing this family (2)
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---|---|---|---|---|
DE2952311C2 (de) * | 1979-12-24 | 1982-11-04 | Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh, 6100 Darmstadt | Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen einer Meßspannung in einen digitalen Wert |
DE3039559A1 (de) * | 1980-10-20 | 1982-05-27 | Bosch-Siemens Hausgeräte GmbH, 7000 Stuttgart | Schaltungsanordnung zum auswerten von an elektrischen sensoren abgreifbaren messgroessen |
-
1974
- 1974-08-16 DE DE19742439446 patent/DE2439446C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2439446A1 (de) | 1976-02-26 |
DE2439446B2 (de) | 1980-04-30 |
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
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