DE2612764C2 - Spannungs-Frequenz-Wandler - Google Patents
Spannungs-Frequenz-WandlerInfo
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- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
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- G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungs-Frequenz-Wandler, dessen Eingangsklemme über zwei
Schalter, wovon einer in Reihe mit einem Inverter liegt, ..an einen Operationsverstärker mit zwischen dessen
invertierenden Eingang und Ausgang geschaltetem Integrationskondensator angeschlossen ist, mit wenigstens
einer Vergleichsstufe am Ausgang des Operationsverstärkers, welche auf eine logische Schaltung
geschaltet ist, die je nach Spannung am Ausgang der Vergleichsstufe ein Schließen des einen Schalters und
öffnen des anderen Schalters und umgekehrt bewirkt.
Lm derartiger Spannungs-Frequenz-Wandler, der in
einer Anordnung zur Messung von Ortskoordinaten von Angriffspunkten eines Spannungsteilers eingesetzt
ist, ist durch die CH-PS 4 93 077 bekannt geworden. Der
r) Wandler arbeitet dort nach dem Spannungsvergleich«-
prinzip mit nur in einzelnen Zeitintervallen auftretenden Meß- bzw. Vergleichszeit. Das Problem einer Kompencierung
der Spannungswanderung des Operat'onsverstärkers und einer Unstabilität des lntegrationskondensators
tritt nicht auf.
Spannungs-Frequenz-Wandler werden auch bei statischen Elektrizitätszählern verwendet. Da der statische
Elektrizitätszähler für eine hohe Dynamik oder einen großen Arbeitsbereich gebaut ist, ist die Spannung sehr
niedrig, die Umwandlung in die Frequenz muß jedoch über die ganze Dynamik oder den ganzen Arbeitsbereich
genau sein.
Bekannte Schaltungen für solche Spannungs-Frequenz-Wandler basieren vor allem auf zwei Prinzipien
Die Schaltungen nach dem ersten Prinzip verwenden die sog. »up-down«-Integration (Integration in beiden
Richtungen), wogegen die Schaltungen nach dem zweiten Prinzip als Meßgrundlage einen genau definierten
Impuls verwenden. Beide Arten von Schaltungen sind konstruktionsmäßig einander sehr ähnlich und sind
mit einem Operationsverstärker, Integrationskondensator und einer logischen Schaltung aufgebaut. Der
Unterschied zwischen den beiden Arten von Schaltungen liegt darin, daß bei der Schaltung nach dem zweiten
Prinzip die logische Schaltung mit einem Quarzoszillatorgesteuert ist.
Die wichtigsten Nachteile dieser bekannten Schaltungen sind die Unstabilität des Integrationskondensators
und die Spannungswanderung des Operationsverstärkers. Obwohl mit der Schaltung nach dem ersten Prinzip
der Einfluß der Spannungswanderung des Operationsverstärkers, die immer in einer Richtung verläuft und
einmal zu der Eingangsspannung addiert und ein anderes Mal von dieser subtrahiert wird, beseitigt
werden kann, ist bei dieser Schaltung der Einfluß des Integrationskondensators, von dem auch die Ausgangsfrequenz
abhängt, sehr stark fühlbar. Bei der Schaltung nach dem zweiten Prinzip beeinflußt der Integrationskondensator nicht mehr den Verlauf der Ausgangsfre-
quenz, spürbar ist jedoch der Einfluß der Spannungswanderung des Operationsverstärkers, die zu der
Eingangsspannung addiert oder von dieser subtrahiert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungs-Frequenz-Wandler für statische Elektrizitätszähler
zu schaffen, welcher die Vorteile der beiden bekannten Prinzipien vereinigt und gleichzeitig für
anspruchsvollere Umwandlungen der Spannung in Frequenz geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf den Eingang des Operationsverstärkers zv/ei
Kompensationsschalter geschaltet sind, die im geschlossenen Zustand über einen Widerstand eine negative
Bzw. positive Referenzspannung auf den Operationsver- !stärker und den Integrationskondensator schalten, daß
mit dem Eingang der logischen Schaltung ein Quarzos zillator verbunden ist, und daß die logische Schaltung
derart aufgebaut und an die Kompensationsschalter angeschlossen ist, daß bei Auftreten einer Spannungsänderung
der erste oder zweite der Kompensationsschalter während eines Impulses des Quarzoszillators
geschlossen und dem Integrationskondensator eine negative bzw. positive Ladung zugeführt wird.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Spannungs-Frequenz-Wandler wird der Einfluß der Spannungswanderung des
Operationsverstärkers mit der Vorzekhenänderung der *,
Eingangsspannung herabgesetzt und der tinfluß des Integrationskondensators mit der Einführung eines
genau definierten Impulses in die logische Schaltung beseitigt. Anordnung und Betätigung der Kompensationsschalter
ergeben einen in seiner Polarität umschalt- ι υ baren Kompensationsladungsgeber.
Die Erfincung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung genauer
erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 die Schaltung für den Spannungs-Frequenz-Wandler nach einer ersten Ausführungsart, und
Fig.2 die Schaltung für den Spannungs-Frequenz-Wandler
nach einer zweiten Ausführungsart.
Die Schallung fur den Spannungs-Frequenz-Wandler
ist aus einem Operationsverstärker 1, Vergleichsstufen 2u
2, 3, 4, einer logischen Schaltung 5 und einem Quarzoszillator 6 aufgebaut. Die Arbeitsweise der
' Schaltung für den Spannungs-Frequenz-Wandler ist im folgenden anhand des Schaltbildes nach Fig. 1 erläutert.
Für den Fall, daß sich der Schalter 10 in der gezeichneten Stellung befindet, entlädt die Ausgangsspannung
an der Eingangsklemme A den Integrationskondensator 9 bis auf eine Spannung — Un, die durch
einen Widerstand 7 bestimmt ist. Wenn die Spannung am Kondensator 9 auf die Spannung — Ungesunken ist,
ändert sich das Potential am Ausgang cder Vergleichsstufe 4, welche die logische Schaltung 5 in einen solchen
Zustand versetzt, daß diese den Schalter 10 öffnet und über einen Inverter einen Schalter 11 schließt. Der
Integrationskondensator 9 beginnt erneut geladen zu werden. Die Potentialänderung am mit der Ausgangsklemme
D des Wandlers verbundenen Ausgang c der Verghichsstufe 4 setzt aber auch die logische Schaltung
5 in den Bereitschaftszustand für einen Impuls aus dem Quarzoszillator 6. Dieser Impuls lädt den Integrationskondensator
9 über einen Schalter 12 auf eine negative Spannung auf; die Eingangsspannung lädt ihn über den
Schalter 11 solange auf, bis die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 die Spannung + UH erreicht.
Zu dieser Zeit schaltet die Vergleichsstufe 4 um, die logische Schaltung 5 ändert den Zustand der Schalter 10
und 11 und wartet auf den Impuls aus dem Quarzoszillator 6. Dieser Impuls schließt einen Schalter
13, der den Integrationskondensator 9 in positiver Richtung auflädt: die Emganijsspan/iung entlädt ihn
über den Schalter 10 auf die Spannung — Un, worauf der
ganze Zyklus wiederholt wird. Falls sich das Vorzeichen der Eingangsspannung ändert, wird sich der Integralionskondensator
9 auf das Potential an der Klemme 7 oder C aufladen, anstatt sich auf die Spannung Uu /u
entladen. Wenn die Spannung am Ausgang c des Operationsverstärkers I eines der angegebenen Potentiale
erreicht, ändern die Vergleichsstufen 2 oder 3 die Potentiale am Ausgang c, was ein Zeichen für die
logische Schaltung 5 ist, daß die Einschaltreihenfolge der Schalter 10 und 11 bzw. 12 und 13 zu wechseln ist.
Gleichzeitig wird an der Klemme C das Potential gewechselt und damit ist das Zeichen gegeben, daß die
Eingangsspannung das Vorzeichen geändert hat. An Klemmen E und F werden die positive und negative
Referenzspannung angeschlossen.
Bei der dargestellten und beschriebenen Schaltung für den Spannungs-Frequenz-Wandler wird die Eingangsspannungswanderung
des Operationsverstärkers 1 zur Eingangsspannung addiert, dann aber von der invertierten Eingangsspannung subtrahiert oder umgekehrt.
Der Integrationskondensator 9 wird mit einer genau bestimmten Ladung aufgeladen; daher wird der
Einfluß der Kondensatorkapazität herabgesetzt. Der Einfluß des Integrationskondensators 9 ist nur während
der Zeit bemerkbar, in der die logische Schaltung 5 auf den Impuls aus dem Oszillator 6 wartet, da in diesem
Zeitabschnitt die Schaltung als ein Auf-Ab- (up-down)-Integrator arbeitet.
Der Einfluß des Integrationskondensators 9 wird noch herabgesetzt mit einer Schaltung für den
Spannungs-Frequenz-Wandler nach Fig. 2. Die Schaltung ist dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich mit der
Ausnahme, daß zwischen den Ausgang cder Vergleichsstufe 4 und die logische Schaltung 5 ein Digitalzähler 14
geschaltet ist. Jeder Impuls der Vergleichsstufe 4 wird an die logische Schaltung 5 geleitet, die den entsprechenden
Schalter schließt. Solange sich der Ausgang des Digitalzählers 14, der durch eine Zahl N dividiert, an
einem Potential befindet, wird die ganze Zeit der gleiche Schalter geschlossen; wenn jedoch TV Impulse ankommen,
beginnt der andere Schalter zu schließen. Die Ausgangfrequenz ist in diesem Fall die Frequenz des
Zählers 14. Eine gute Eigenschaft einer derart vervollkommneten Schaltung ist auch die, daß sie viel
schneller die Vorzeichenänderung der Eingangsspannung feststellt, als der Wandler mit einem Impuls.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Spannungs-Frequenz-Wandler, dessen Eingangsklemme über zwei Schalter, wovon einer in
Reihe mit einem Inverter liegt, an einen Operationsverstärker mit zwischen dessen invertierenden
Eingang und Ausgang geschaltetem Integrationskondensator angeschlossen ist, mit wenigstens einer
Vergleichsstufe am Ausgang des Operationsverstärkers, welche auf eine logische Schaltung geschaltet
ibt, die je nach Spannung am Aurgang der Vergleichsstufe ein Schließen des einen Schalters
und öffnen des anderen Schalters und umgekehrt bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß auf
den Eingang (b)des Operationsverstärkers (1) zwei Kompensationsschalter (12, 13) geschaltet sind, die
im geschlossenen Zustand über einen Widerstand eine negative bzw. positive Referenzspannung auf
den Operationsverstärker (1) und den Integrationskondensator (9) schalten, daß mit dem Eingang der
logischen Schaltung (5) derart aufgebaut und an die Kompensationsschalter (12, 13) angeschlossen ist,
daß bei Auftreten einer Spannungsänderung der erste oder zweite der Kompensationsschalter (12,
13) während eines Impulses des Quarzoszillators (6) geschlossen und dem Integrationskondensator (9)
eine negative bzw. positive Ladung zugeführt wird.
2. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere
Vergleichsstufen (2,3) zwischen den Ausgang (c)des
Operationsverstärkers (1) und den Eingang der logischen Schaltung (5) geschaltet sind, und daß die
logische Schaltung (5) derart aufgebaut ist, daß bei Auftreten einer von Null verschiedenen Spannung
am Ausgang (c) einer der weiteren Vergleichsstufen (2,3) die Einschaltung der mit der Eingangsklemme
(A) des Wandlers verbundenen Schalter (10,11) und der Kompensationsschalter (12, 13) jeweils vertauscht
erfolgt.
3. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den
Eingang (a) der ersten Vergleichssture (4) eine Kombination von Widerständen (7,8) angeschlossen
ist, und daß der Ausgang (c) dieser Vergleichsstufe (4) mit der Ausgangsklemme (D) des Wandlers
verbunden ist.
4. Spannungs-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Ausgang (c) der ersten Vergleichsstufe
(4) und die logische Schaltung (5) ein Digitalzähler (14) geschaltet und die Ausgangsklemme (D) des
Wandlers an den Eingang der logischen Schaltung
(5) angeschlossen ist.
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1976
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Also Published As
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Legal Events
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OD | Request for examination | ||
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8363 | Opposition against the patent | ||
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