DE69013718T2

DE69013718T2 - Schnell stabilisierbarer Spannungs-Frequenz-Umsetzer für Analog-Digital-Umwandlung hoher Geschwindigkeit.

Info

Publication number: DE69013718T2
Application number: DE69013718T
Authority: DE
Inventors: Bill Gessaman; Paul Lantz; Jon Parle
Original assignee: John Fluke Manufacturing Co Inc
Current assignee: Fluke Corp
Priority date: 1989-02-24
Filing date: 1990-02-15
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2010-02-16
Also published as: EP0384858A2; JPH02248118A; US4992673A; CA2010738A1; JPH0738589B2; EP0384858B1; DE69013718D1; CA2010738C; EP0384858A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Spannungs-Frequenz-Umsetzer und insbesondere Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit Ladungsausgleich, bei denen eine Schaltungskomponente eingefügt ist, um die Zeit zu vermindern, welche der Umsetzer für einen Wechsel von einer Frequenz zu einer anderen benötigt.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Spannungs-Frequenz-Umsetzer in Analog-Digital-Umsetzern zu verwenden. Solche Analog-Digital-Umsetzer nach dem Stand der Technik weisen einen Multiplexer auf, welcher aufeinanderfolgende Spannungspegel für einen Signalaufbereitungs- und Pufferverstärker vorsieht, um sie an einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer auszugeben. Ein Zähler ist mit dem Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers verbunden, um einen digitalen Ausgangszählwert vorzusehen, welcher den analogen Eingangsspannungspegel wiedergibt.
Häufig sind selbstnullende (auto-zeroing) Schaltkreise vorgesehen, um für jeden Zähl- und Meßzyklus eine Offset-Ausgangsspannung von dem Signalaufbereitungs- und Pufferverstärker zu ermitteln. Ein Synchronisierungssignal, welches im folgenden als ein Spannungswandlungs-Anforderungssignal bezeichnet ist, fordert die Durchführung einer Umsetzung oder Wandlung an. Ein bekannter Analog-Digital-Umsetzer dieser Art führt 1200 Wandlungen pro Sekunde durch. Bei einem derartigen Umsetzer steht also eine Dauer von etwa 800 Mikrosekunden für jeden Meßzyklus zur Verfügung. Wenn 200 bis 300 Mikrosekunden erforderlich sind, damit der Multiplexer den nächsten Eingangspegel für den Verstärker und Puffer vorsehen kann und damit der Puffer Einschwingen und ein stabiles Ausgangssignal vorsehen kann, verbleiben etwa 500 Mikrosekunden, um das von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer ausgegebene Signal zu digitalisieren.
Das heißt, etwa 500 Mikrosekunden stehen für die Messung der von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer ausgegebenen Frequenz zur Verfügung.
Bei Spannungs-Frequenz-Umsetzern mit Ladungsausgleich, welche beispielsweise in E.D.N. Electrical Design News, Band 30, Nr. 11, Mai 1985, Seiten 153-164 beschrieben sind, ist eine Betriebssequenz von zwei Zyklen vorgesehen. In einem ersten Betriebszyklus, dem Rücksetzzyklus, wird eine Eingangskapazität eines Integrators durch einen Strom aufgeladen, welcher während eines festen Zeitintervalls von einer Eingangsspannungsquelle und von einer Stromquelle abgeleitet wird. In einem zweiten Betriebszyklus, dem Integrationszyklus, wird die Ladung durch Integrieren des von der Eingangsspannungsquelle abgeleiteten Stromes verbraucht. Während dieses Entladezyklus erfaßt ein Vergleicher den Ausgangsspannungspegel des Integrators, und wenn ein vorgegebener Schwellwert erreicht wird, wird ein Ausgangsimpuls erzeugt. Das Erzeugen dieses Ausgangsimpulses beendet die Wandlung und löst eine neue Sequenz aus.
Die Frequenz der Ausgangsimpulse wird durch die Summe der Zeitspannen für die Rücksetz- und Integrationszyklen bestimmt.
Es ist bekannt, daß dann, wenn sich die Eingangsspannung von einem Pegel zu einem anderen ändert, sich die Frequenz der Ausgangsimpulse von einem Wert, welcher den ersten Spannungspegel wiedergibt, zu einem anderen Wert, welcher den zweiten Spannungspegel wiedergibt, ändert. Die Zeit, welche erforderlich ist, damit sich die Frequenz auf den Wert stabilisieren kann, welcher den zweiten Spannungspegel wiedergibt, beträgt normalerweise einen vollständigen Betriebszyklus. Wenn der Spannungs-Frequenz-Umsetzer bei Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz arbeitet, wobei 10 kHz einem Eingangsspannungspegel von Null entspricht, kann eine solche Veränderung 100 bis 200 Mikrosekunden erfordern, bevor eine stabile Ausgangsfrequenz erhalten wird. Es wird also etwa 20% der für die Frequenzmessung und die Wandlung zur Verfügung stehende Zeit benötigt, um auf den neuen Frequenzwert einzuschwingen.
Ein Verlust von 100 Mikrosekunden bei einer verfügbaren Zeitspanne von 500 Mikrosekunden entspricht einem Verlust von 20% der Meßgenauigkeit. Es ist daher notwendig, bei Schaltkreisen nach dem Stand der Technik die Zeit zu vermindern, welche die Spannungs-Frequenz-Umsetzer benötigen, um sich von einer Frequenz auf eine andere Frequenz einzustellen oder einzuschwingen, wenn sich die in die Umsetzer eingegebenen Spannungspegel ändern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Betriebseigenschaften zu verbessern, indem der Anteil der Wandlungszeit vermindert wird, welcher zum Stabilisieren der Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umsetzers auf einen neuen Wert notwendig ist.
Es ist eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, eine Schaltung zur Beschleunigung eines Übergangs eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers von einer Frequenz auf eine andere Frequenz vorzusehen.
Eine speziellere Aufgabe dieser Erfindung ist, eine Beschleunigungsschaltung zum Erzeugen eines Beschleunigungsstromes vorzusehen, um die Zeit zu vermindern, welche erforderlich ist, um den anfänglichen Ladezustand eines Spannungs-Frequenz- Umsetzers auszugleichen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist, eine Beschleunigungsschaltung zum Vermindern der Einschwingzeit vorzusehen, welche einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer abhängig von einem Übergang oder einer Veränderung des Eingangsspannungspegels benötigt, indem man den Umsetzer während der Einschwingzeit bei einer hohen Frequenz arbeiten läßt, wodurch die Zeit vermindert wird, welche zum Erreichen des neuen Frequenzwertes notwendig ist.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Beschleunigungsschaltung vorzusehen, welche auf ein Wandlungs-Aufforderungssignal eines Analog-Digital-Umsetzer anspricht, um einen erhöhten Strom für einen Ladungsausgleichzyklus und für einen Integrationszyklus zu erzeugen und um ein Ausgangssteuersignal vorzusehen, so daß eine Gatter- oder Verknüpfungsschaltung Ausgangsimpulse von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer erst nach dem Entfernen des Beschleunigungsstromes weitergeben kann.
Eine speziellere Aufgabe dieser Erfindung ist, eine Schaltung zum Beseitigen von Anfangsbedingungen von einem aufgeladenen Kondensator eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers in kürzerer Zeit vorzusehen als es notwendig wäre, wenn ein zusätzlicher Strom an einem integrierenden Knoten dieser Schaltung vorgesehen wird.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen Beschleunigungsstromerzeuger vorzusehen, welcher eine Unterscheidungsschaltung aufweist, um zwischen Rücksetz- und Integrations- Betriebszyklen des Spannungs-Frequenz-Umsetzers zu unterscheiden, um den Durchgang von Ausgangsimpulsen von dem Umsetzer bei Beendigung eines Hochgeschwindigkeits-Integrationszyklus zu ermöglichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein verbesserter Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit Ladungsausgleich vorgesehen. Ein derartiger Umsetzer gibt Impulse mit einer Frequenz aus, welche durch einen in diesen eingegebenen Spannungspegel bestimmt wird. Der Spannungs-Frequenz-Umsetzer hat einen ersten Zyklus zum Zurücksetzen oder Initialisieren eines Integrators des Umsetzers und einen zweiten Zyklus zum Ausgleichen des Ladungszustandes in seinem Integrator. Die Verbesserung gemäß dieser Erfindung umfaßt eine Einschwingzeit-Verminderungsvorrichtung, oder Beruhigungsdauer-Verkürzungsvorrichtung, zum Vermindern der Zeit, welcher der Spannungs-Frequenz-Umsetzer benötigt, um abhängig von einer Änderung der in diesen eingegebenen Spannung von einem ersten Spannungspegel auf einen zweiten Spannungspegel die Frequenz der von ihm vorgesehenen Ausgangsimpulse von einer ersten Frequenz zu einer zweiten Frequenz zu verändern. Die Einschwingzeit-Verminderungsvorrichtung umfaßt eine Beschleunigungsstrom-Erzeugungsschaltung zum Erzeugen eines Beschleunigungsstromes, um die Zeit zu vermindern, welche zum Ausgleichen des Ladungszustandes nach einer Veränderung der Eingangsspannung des Spannungs-Frequenz- Umsetzers benötigt wird, und eine Synchronisierschaltung, welche auf ein Spannungswandlungs-Anforderungssignal anspricht, um den Beschleunigungsstrom zu beseitigen, wenn die integrierte Ausgangsspannung einen vorgegebenen Spannungspegel erreicht hat. Es werden also die Anfangsbedingungen des Spannungs-Frequenz-Umsetzers, welche durch den ersten Spannungspegel verursacht werden, in kürzerer Zeit beseitigt, als für eine solche Beseitigung bei einer nichtunterstützten Integration der Eingangsspannung notwendig wäre.
Vorzugsweise ist eine Verknüpfungsschaltung vorgesehen, wobei die Verknüpfungsschaltung auf die Synchronisierschaltung anspricht. Die Verknüpfungsschaltung ist so angeschlossen, daß sie ein Ausgangssignal von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer und ein Freigabe-Ausgangssignal von der Synchronisierschaltung empfängt, um ein Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umsetzers auszugeben. Die Synchronisierschaltung sieht das Freigabe-Ausgangssignal derart vor, daß die Verknüpfungsschaltung nur dann freigegeben wird, wenn die integrierte Ausgangsspannung den vorgegebenen Spannungspegel erreicht hat und der Beschleunigungsstrom beseitigt ist.
Die Synchronisierschaltung kann ferner eine Zyklusidentifizierungsschaltung aufweisen, welche auf das Anforderungssignal anspricht, um zwischen einem Rücksetz-Betriebszyklus und einem Integrations-Betriebszyklus des Spannungs-Frequenz-Umsetzers zu unterscheiden. Zusätzlich kann in der Synchronisierschaltung eine Entfernungs- oder Beseitigungsschaltung vorgesehen sein, welche auf die Identifizierungsschaltung und auf ein Ausgangssignal des Integrators anspricht, um den Beschleunigungsstrom von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer zu beseitigen, wenn die Ausgangsspannung des Integrators während eines vorgegebenen Betriebszyklus des Spannungs-Frequenz-Umsetzers einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat. Die Synchronisierschaltung kann eine Schaltung zum Aktivieren der Verknüpfungsschaltung immer dann, wenn der vorgegebene Spannungspegel in einem Integrations-Betriebszyklus des Spannungs-Frequenz-Umsetzers erfaßt wird, aufweisen.
Die Entfernungsschaltung wird also vorzugsweise so betrieben, daß sie den Beschleunigungsstrom von dem Spannungs-Frequenz- Umsetzer beseitigt, wenn die Ausgangsspannung des Integrierers während eines Integrations-Betriebszyklus des Spannungs-Frequenz-Umsetzers bei dem vorgewählten Schwellwert liegt.
Die Identifizierungsschaltung umfaßt vorzugsweise einen Vergleicher, welcher ein erstes und ein zweites Eingangssignal empfängt, eine Schwellenspannung-Auswahlschaltung zum Vorsehen des vorgewählten Schwellwertes bei dem ersten Eingang des Vergleichers und eine erste bistabile Schaltung (Flip-Flop), welche auf einen Übergang des Ausgangssignals von dem Vergleicher in einer vorgegebenen Richtung anspricht. Der Vergleicher spricht auf die Ausgangsspannung des Integrators an seinem zweiten Eingang an. Die erste bistabile Schaltung ist vorzugsweise so angeordnet, daß sie auf einen Übergang während eines Ausgleichs-Betriebszyklus des Spannungs-Frequenz-Umsetzers anspricht. Die Beseitigungsschaltung umfaßt zusätzlich eine zweite bistabile Schaltung, welche auf die erste bistabile Schaltung und auf den Vergleicher anspricht, um den Beschleunigungsstrom von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzers beim nächsten Übergang das Ausgangssignal des Vergleichers während eines dem Ausgleichzyklus nächstfolgenden Integrationszyklus zu beseitigen. Es kann eine Ausgangsverknüpfungsschaltung vorgesehen sein, welche auf die Beseitigungsschaltung anspricht. Bei dieser Anordnung ist die Verknüpfungsschaltung so angeschlossen, daß sie ein Ausgangssignal von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer und ein Freigabe-Ausgangssignal von der Beseitigungsschaltung empfängt. Die Beseitigungsschaltung sieht also das Freigabe-Ausgangssignal vor, um die Verknüpfungsschaltung nur dann freizugeben, wenn die integrierte Eingangsspannung bei dem vorgegebenen Spannungspegel liegt und der Beschleunigungsstrom beseitigt ist.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben ist und die zur Erläuterung einer der besten Arten zum Ausführen der Erfindung dient. Die Untersuchung der Beschreibung und die Umsetzung derselben in die Praxis wird zeigen, daß die vorliegende Erfindung noch weitere, andere, Ausführungsformen umfaßt und ihre verschiedenen Einzelheiten können hinsichtlich verschiedener Gesichtspunkte modifiziert werden. Die Zeichnungen und die folgende Beschreibung sollen also nur als Erläuterung betrachtet werden und nicht als eine Beschränkung der Erfindung.
In Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Aufgaben und Merkmalen der Erfindung ist im folgenden eine bevorzugte Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines bekannten Analog-Digital- Umsetzers, welcher einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit Ladungsausgleich verwendet,
Fig. 2 einen bekannten Spannungs-Frequenz-Umsetzer,
Fig. 3A, 3B und 3C Wellenformen von Spannungen bei drei Punkten des Umsetzers von Fig. 2,
Fig. 4 eine Modifikation des Umsetzers von Fig. 2 gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 ein Blockdiagramm, welches die Modifikation von Fig. 4 mit weiteren Einzelheiten darstellt,
Fig. 6 einen detaillierten Schaltplan der Ausführungsform der Erfindung, welche in Fig. 5 gezeigt ist, und
Fig. 7A, 7B, 7C, 7D und 7E Wellenformen bei verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig. 6.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines bekannten Analog-Digital-Umsetzers gezeigt. Ein derartiger Umsetzer umfaßt einen Multiplexer 10, welcher an einem Eingangsanschluß 12 ein Eingangssignal empfängt und Signal-Abtastwerte zu geeigneten Zeitpunkten an einen Signalaufbereitungs- und Pufferverstärker 14 ausgibt. Eine Meßsystem-Steuereinrichtung 20, welche die Eingänge des Multiplexers 10 zyklisch ansteuert, gibt an einem Ausgangsanschluß 16 ein Wandlungs-Anforderungssignal aus. Das Anforderungssignal wird sowohl an einem Zähler 18 als auch an dem Multiplexer 10 vorgesehen. Bei Empfang des Wandlungs-Anforderungssignals wählt der Multiplexer 10 den passenden Eingang aus. Der Signalaufbereitungs- und Pufferverstärker 14 und der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 22 schwingen ein, und die Zählschaltung 18 sieht einen Meßwert der Eingangsspannung vor.
Der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 22 empfängt die aufbereiteten Spannungspegel und gibt Impulsfolgen mit Frequenzen aus, welche den Eingangsspannungspegeln entsprechen. Die Impulsfolgen werden von dem Zähler 18 gezählt, um den digitalen Ausgangszählwert vorzusehen, welcher den analogen Eingangsspannungspegel wiedergibt.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des Aufbaus eines bekannten Spannungs-Frequenz-Umsetzers 22. Ein solcher Spannungs-Frequenz-Umsetzer ist üblicherweise ein Umsetzer mit Ladungsausgleich, bei dem ein von der Eingangsspannung abgeleiteter Eingangsstrom an einem Summierknoten 24 vorgesehen wird. Ferner ist eine Rücksetzstromquelle 32 vorgesehen, welche über eine monostabile Schaltung 30 zu dem Knoten 24 durchgeschaltet werden kann. Die monostabile Schaltung, welche von dem Ausgangssignal eines Vergleichers 28 angesteuert oder getriggert wird, erzeugt einen Rücksetzimpuls. Während des Rücksetzimpulses, welcher eine feste Zeitdauer hat, bewirkt die Summe des Eingangsstromes und des Rücksetzstromes, daß der Integrator zurückgesetzt wird. Nach dem Rücksetzzyklus folgt ein Integrationszyklus, in dem der Eingangsstrom alleine bewirkt, daß der Integrator zurück zur Schwellenspannung des Vergleichers 28 linear abfällt. Bei diesem Schwellwert verändert der Ausgang des Vergleichers 28, getriggert durch die monostabile Schaltung 30, seinen Zustand, wodurch der nächste Rücksetzzyklus begonnen wird. Da die Spannung des Kondensators immer auf denselben Pegel zurückgeführt wird, ist die Nettoladung an diesem Null, die Spannung ist also "ausgeglichen".
Wenn beispielsweise ein von einem Eingangsspannungspegel V&sub1; abgeleiteter positiver Eingangsstrom an den Integrator 26 angelegt wird, sieht der Integrator 26 eine Ausgangsflanke mit negativer Steigung vor. Wenn der Vergleicher 28 erfaßt, daß der Wert der Flanke gleich einem Schwellwert Vt1 ist, welcher beispielsweise der Massepegel sein kann, wird ein Übergang des Ausgangssignals erzeugt, woraufhin die monostabile Schaltung 30 einen Impuls mit einer Dauer Tr ausgibt, die durch eine RC- Zeitkonstante der Schaltung bestimmt wird.
Dieser positive Impuls von der monostabilen Schaltung 30 schaltet während der festen Länge des Zeitintervalls Tr einen Rücksetzstrom Ir in den Summierknoten des Integrators ein.
Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, ist bei einem stationären Gleichgewichtszustand die mittlere Ladungsübertragung zu der integrierenden Kapazität null. Die während des Integrationszyklus der Kapazität zugeführte Ladung wird also durch die während des Rücksetzzyklus von der Kapazität abgezogene Ladung ausgeglichen.
Für einen im wesentlichen konstanten Eingangsstrom des Integrators ist die Eingangsladung gegeben durch Tint * Iin, wobei Tint die Dauer des Integrationszyklus und Iin der Eingangsstrom am Integrationsknoten ist, der während der gesamten Integration im wesentlichen konstant bleibt. Während der hier betrachteten kurzen Zeitspannen bleibt ferner, solange sich die Eingangsspannung nicht verändert, der Eingangsstrom während der Integrations- und Rücksetzzyklen im wesentlichen konstant. Die abgezogene Ladung ist also gegeben durch Tr*(Ir - Iin), wobei Tr die Dauer des Rücksetzzyklus und Ir die Größe des von dem Summierknoten abgezogenen Rücksetzstromes ist.
Die Ausgangsfrequenz ist gegeben durch F = 1/(Tr + Tint). Um die Beziehung zwischen der Ausgangsfrequenz und der Eingangsspannung Vin bei dem Summierknoten zu erhalten, verwendet man für den Eingangsstrom Iin = Vin/Ri, wobei Ri der Eingangswiderstand am Summierknoten des Integrators 26 ist, der auf virtueller Masse liegt.
Es gilt also
Iin = Vin/Ri (1)
Tint Iin = Tr(Ir - Iin) (2)
(Tint + Tr)Iin = TrIr (3)
und
F = 1/(Tint + Tr) = Iin/TrIr = Vin/RiTrIr (4)
Die obigen Beziehungen ergeben sich aus den verschiedenen Wellenformen, welche in Fig. 3 gezeigt sind. In Fig. 3A ist die Eingangsspannung am Summierknoten-Widerstand Ri gezeigt. In Fig. 3B ist die Wellenform der Spannung am Ausgang des Integrators 26 gezeigt, welche die sich wiederholenden Wechsel der Rücksetz- und Integrationszyklen umfaßt, die jeweils als steigende und fallende Flankensegmente der Wellenform dargestellt sind. Fig. 3C zeigt die Folge der Ausgangsimpulse, welche von der monostabilen Schaltung 30 erzeugt werden.
Wenn sich die am Summierknoten 24 vorgesehene Eingangsspannung Vin von V&sub1; auf V&sub2; ändert, ändert sich die Frequenz der Ausgangsimpulse, wie durch die zur Zeit t&sub1; in der Eingangsspannung Vin auftretende Veränderung in Fig. 3A und die sich ergebende Veränderung der Wiederholfrequenz der Wellenform in Fig. 3C gezeigt ist. Obwohl sich die Eingangsspannung zur Zeit t&sub1; ändert, ist jedoch der früheste Zeitpunkt, zu dem die neue Frequenz erstmals genau erfaßt werden kann, t&sub2;, d.h. erst wenn mindestens ein Impuls mit der neuen Frequenz aufgetreten ist. Da der Übergang von V&sub1; auf V&sub2; zu jedem beliebigen Zeitpunkt während entweder des Rücksetz- oder des Integrationszyklus auftreten kann, ist der Zeitpunkt des Auftretens des ersten Impulses nach dem Übergang kein zuverlässiger Indikator der neuen Frequenz. Die Periode der neuen Frequenz wird das erste Mal zuverlässig durch die Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls, welche dem Übergang in der Eingangsspannung folgen, angezeigt. Die neue Frequenz kann daher erst dann präzise gezählt werden, wenn der erste Impuls nach dem Übergang der Spannungspegel erfaßt wurde. Die Einschwingzeit bekannter Spannungs-Frequenz-Umsetzer beträgt daher einen gesamten Zyklus der neuen Frequenz.
Wie bereits oben ausgeführt, kann, wenn die neue Spannung V&sub2; die durch eine Frequenz von 10 kHz wiedergegebene niedrige Spannung ist, die Zeit zwischen t&sub1; und t&sub2; bis zu 100 Mikrosekunden betragen, wodurch die zum Durchführen der Messung zur Verfügung stehende Zeit erheblich vermindert wird.
Um die Einschwingzeit zu verkürzen, modifiziert die vorliegende Erfindung den Aufbau des Spannungs-Frequenz-Umsetzers nach dem Stand der Technik, wie in Fig. 4 gezeigt. Insbesondere wird eine Schaltung 34 hinzugefügt, die während der Übergangsperiode einen Hochfrequenzbetrieb im Umsetzer bewirkt. Die Hochfrequenzbetriebsschaltung 34 erzeugt einen Beschleunigungsstrom Is, welcher während der Einschwingzeit, die einem Übergang der Eingangsspannung folgt bei dem Summierknoten 24 eingegeben wird.
Die Funktionsweise dieser Modifikation gemäß der Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 1 verständlich, wobei daran erinnert wird, daß eine Meßsystem-Steuereinrichtung 20 ein Wandlungs- Anforderungssignal bei jeder Abtastwert-Eingabezeit vorsieht. Das Wandlungs-Anforderungssignal löst einen Betriebszyklus in bekannten Analog-Digital-Umsetzern aus, wobei die neue von dem Multiplexer 10 ausgewählte Eingangsspannung einschwingen darf und die Analog-Digital-Umsetzung durchgeführt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dasselbe Wandlungs-Anforderungs(Zeit)-Signal verwendet, welches an die selbstnullenden und zählenden Schaltungen angelegt wird, um eine Beschleunigungsstrom-Erzeugungsschaltung zu triggern und um eine Synchronisierschaltung in der Hochfrequenzbetriebsschaltung 34 zu triggern. Die Synchronisierschaltung gibt ein Zeitsignal an eine Verknüpfungsschaltung 36 aus, um die Verknüpfungsschaltung freizugeben, um den Durchgang der Ausgangsimpulse des Spannungs-Frequenz-Umsetzers zu sperren.
Wie sich aus der folgenden Beschreibung des Betriebs der Schaltung von Fig. 5 zeigen wird, bewirkt der von der vorliegenden Erfindung angelegte Beschleunigungsstrom, daß der Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einer hohen Frequenz arbeitet, welche nicht notwendigerweise die Eingangsspannung wiedergibt. Daher sperrt die Verknüpfungsschaltung 36 von dem Spannungs- Frequenz-Umsetzer erzeugte Ausgangsimpulse, so daß sie nicht vom Zähler 18 gezählt werden. Sobald der Beschleunigungsstrom an dem Summierknoten beseitigt ist, gibt das von der Synchronisierschaltung ausgegebene Zeitsignal die Verknüpfungsschaltung 36 frei, um die Ausgangsimpulse des Spannungs-Frequenz- Umsetzers durchzulassen, welche nun mit der richtigen Ausgangsfrequenz erzeugt werden, so daß sie vom Zähler 18 gezählt werden.
In Fig. 5 ist die Hochfrequenzbetriebsschaltung 34 mit einer Beschleunigungsstromquelle 38 gezeigt, welche einen Beschleunigungsstrom Is am Summierknoten 24 während der Zeit vorsieht, zu der der Pufferverstärker einschwingen darf, oder während anderer Zeiten, zu denen der Spannungs-Frequenz-Umsetzer nicht für die Frequenzumsetzung eingesetzt wird. Während dieser Zeit legt die Stromquelle 38 einen zusätzlichen Strom Is an den Knoten 24 an. Für diesen Strom kann ein beliebiger Wert gewählt werden, bei der momentan bevorzugten Ausführungsform wird jedoch ein Strom angelegt, der dem Betrieb bei der höchsten Betriebsfrequenz, 100 kHz (entsprechend der vollen Eingangsspannung) äquivalent ist. Da durch die Eingangsspannung Vin auch ein Eingangsstrom Iin vorgesehen wird, arbeitet der Spannungs- Frequenz-Umsetzer während der verkürzten Einschwingzeit mit einer Frequenz, die gleich oder größer als die von der Schaltung 34 aufgebaute Hochfrequenz ist.
Es sind also ein oder zwei volle Zyklen der erhöhten Frequenz, die maximal 20 Mikrosekunden beträgt, für das Einschwingen der erfindungsgemäß modifizierten Schaltung notwendig. Die vorliegende Erfindung vermindert daher die maximale Einschwingzeit von 100 Mikrosekunden auf weniger als 20 Mikrosekunden, eine erhebliche Verbesserung.
Eine Synchronisierschaltung 40 spricht auf das Frequenzwandlungs-Anforderungssignal an, indem sie die Stromquelle ansteuert (triggert) und die Verknüpfungsschaltung 36 sperrt. Die Synchronisierschaltung 40 weist einen Vergleicher 42 auf, der die von dem Integrator 26 ausgegebene integrierte Eingangsspannung mit einem Schwellwert Vt2 vergleicht, der geringfügig über dem Pegel Vt1 (dem anderen bekannten Auslösepunkt für den Spannungs-Frequenz-Umsetzer) liegt, wobei beide Schwellwerte sehr nahe bei Null liegen.
Die Synchronisierschaltung 40 weist ferner eine Zyklusidentifizierungsschaltung 44 auf, welche den Beschleunigungsstrom Is entfernt und die Verknüpfungsschaltung 36 freigibt, wenn während des Integrations-Betriebszyklus eine Übereinstimmung zwischen der integrierten Spannung und der Schwellenspannung Vt2 erfaßt wird. Dann ist der Spannungs-Frequenz-Umsetzer bereit, einen vollständigen Zyklus bei der neuen Frequenz zu beginnen.
In Fig. 6 ist eine detaillierte Schaltung als eine Ausführungsform der Anordnung von Fig. 5 gezeigt. Der Integrator 26 des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 22 umfaßt insbesondere einen Opterationsverstärker 46, einen Widerstand 48, welcher den oben genannten Widerstand Ri bildet, und einen Rückführungskondensator 50. Der Vergleicher 28 vergleicht die Ausgangsspannung des Integrators 26 mit einer Schwellenspannung bei Masse, und es ist eine Impulsweiten-Einstell-RC-Schaltung R2, C2 für die monostabile Schaltung 30 gezeigt. Eine geschaltete Stromquelle ist symbolisch bei 32 dargestellt und kann mit jeder bekannten Schaltungskonfiguration aufgebaut werden.
Der Vergleicher 42 der Synchronisierschaltung 40 vergleicht den Ausgang des Integrators 46 mit einer getrennt eingestellten Schwellenspannung, welche von einem ohmschen Spannungsteiler 52 bestimmt wird. Die Zyklusidentifizierungsschaltung 44 umfaßt ein erstes und ein zweites, negativ getriggertes Flip- Flop 54 bzw. 56. Das Frequenzwandlungs-Anforderungssignal wird dazu verwendet, die beiden Flip-Flops freizugeben, und ein Gatter 58 wird von dem Ausgangssignal des Vergleichers 42 freigegeben, um das Flip-Flop 56 abhängig vom Auftreten ausgewählter Q-Ausgangssignale des Flip-Flops 54 anzusteuern (zu triggern). Das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops 56 wird als das von der Synchronisierschaltung ausgegebene Zeitsignal zum Freigeben des Gatters 36 verwendet.
Der Betrieb der Schaltung von Fig. 6 ist mit Hilfe der in Fig. 7A bis 7E gezeigten Wellenformen dargestellt. Wie in diesen Figuren gezeigt, gibt die Wellenform von Fig. 7A die Ausgangsspannung des Integrators 26 wieder, und sie umfaßt abwechselnde Rücksetz- und Integrationszyklen 60 und 62. Es ist für den Fachmann auf diesem Gebiet erkennbar, daß die Richtungen der Rücksetz- und Integrationszyklen umgekehrt werden können.
Der Spannungs-Frequenz-Umsetzer arbeitet bei einer Frequenz, welche durch die Wiederholfolge der Wellenform von Fig. 7A wiedergegeben ist. Eine Folge von Impulsen wird von der Gatter- oder Verknüpfungsschaltung 36 ausgegeben, wie in Fig. 7E gezeigt. Nach einer gewissen Zeit (nicht gezeigt) wird angenommen, daß sich die Eingangsspannung ändert. Eine gewisse Zeit danach, zu einem Zeitpunkt tc, erzeugt die Meßsystem-Steuereinrichtung 20 das Wandlungs-Anforderungssignal, das in Fig. 7B gezeigt ist. Zwischen den Messungen löscht das niedrige Wandlungs-Anforderungssignal die Flip-Flops 54 und 56, wodurch die Verknüpfungsschaltung 36 gesperrt wird und der Durchgang der Impulse durch dieses unterbrochen wird. Während dieser Zeit schaltet der -Ausgang des Flip-Flops 56, der beim Löschen des Flip-Flops hoch geht, die Stromquelle 38 ein, wodurch eine schnelle Aufladung des Kondensators 50 auf einen vorgegebenen, bekannten Ladepegel bewirkt wird, wodurch der Spannungs-Frequenz-Umsetzer bei seiner maximalen Frequenz läuft.
Der Integrationszyklus des Spannungs-Frequenz-Umsetzers bringt den Umsetzer auf einen bekannten Anfangszustand. Es ist daher wünschenswert, den Beschleunigungsstrom während eines Integrationszyklus anzulegen und die Stromquelle am Ende des Integrationszyklus zu entfernen. Auf diese Weise bringt die Beschleunigungsschaltung den Integrator schnell auf einen bekannten Zustand, um den nächsten Zyklus zu erreichen.
Die Flip-Flops 54 und 56 bilden zusammen mit dem Gatter 58 die Zyklusidentifizierungsschaltung 44, welche den Beschleunigungsstrom von dem Summierknoten 24 beseitigt. Die Flip-Flops 54 und 56 werden von den fallenden Flanken eines Eingangssignals getaktet und getriggert. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 54 ist in Fig. 7C gezeigt. Dieses Wandlungs-Anforderungssignal ist normalerweise niedrig, so daß die Hochfrequenzbetriebsschaltung 34 einen Beschleunigungsstrom an den Spannungs-Frequenz-Umsetzer 22 anlegt, während Ausgangsimpulse zur Zählschaltung gesperrt werden. Wenn die Meßsystem-Steuereinrichtung 20 einen Lesevorgang fordert, geht das Wandlungs-Anforderungssignal hoch und bleibt hoch, bis der Lesevorgang abgeschlossen ist. Wenn das Wandlungs-Anforderungssignal zu der Zeit tc hoch geht, sind die Flip-Flops 54 und 56 im Anfangszustand, den sie angenommen haben, als sie von dem niedrigen Wandlungs-Anforderungssignal zurückgesetzt wurden. Während des Rücksetz-Betriebszyklus steigt die Ausgangsspannung vom Integrator 26 an. Diese Spannung wird bei dem invertierenden Eingang des Vergleichers 42 eingegeben. Der Rücksetz-Betriebszyklus wird daher durch einen abfallenden Übergang am Ausgang des Vergleichers 42 identifiziert, welcher auftritt, wenn der Ausgang des Integrators 26 mit dem Schwellwert Vt2 übereinstimmt.
Dieser Übergang, der zu einer Zeit tr auftritt, taktet das Flip-Flop 54, um ein Q-Ausgangssignal mit hohem Pegel vorzusehen, wie in Fig. 7C gezeigt ist. Das heißt, der Q-Ausgang des Flip-Flops 54 steigt im nächsten Rücksetzzyklus, nachdem das Wandlungs-Anforderungssignal erzeugt wurde. Das Gatter 58 wird von dem Q-Ausgang des Flip-Flops 54 freigegeben, so daß das Flip-Flop 56 bei dem nächsten steigenden Ausgangssignal des Vergleichers 42 getriggert wird. Dieses steigende Ausgangssignal tritt zu einer Zeit tt im nächsten Integrationszyklus auf, wenn die Ausgangsspannung des Integrators 26 unter die Schwellenspannung Vt fällt.
Das Flip-Flop 56 wird also zu einer Zeit tt, im wesentlichen bei Beendigung eines Integrationszyklus, auf eine Einstellbedingung getriggert. Demzufolge fällt der Pegel des -Ausgangssignales, wodurch der Beschleunigungsstrom von dem Summierknoten beseitigt wird. Ferner gibt der Q-Ausgang des Flip-Flops 56, der wie in Fig. 7D gezeigt ansteigt, die Verknüpfungsschaltung 36 frei, so daß die nächsten Ausgangsimpulse von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 22 durchgehen können. Diese nächsten Impulse sind in der Ausgangssignal-Wellenform dargestellt, die in Fig. 7E gezeigt ist.
Sobald die Beschleunigungsstromquelle 38 entfernt ist, wird der einzige zum Summierknoten fließende Strom durch die Eingangsspannung erzeugt, welche von dem Pufferverstärker vorgesehen wird. Bei geringen Eingangsspannungen kann die Ladegeschwindigkeit sehr gering sein, wodurch die Erzeugung des nächsten Impulses durch die monostabile Schaltung 30 verzögert wird. Die geringe Ladegeschwindigkeit spiegelt sich in der verminderten Steigung des Integrationszykluses in Fig. 7A zwischen der Zeit tt und dem Beginn des nächsten Rücksetzzyklus wieder. Es ist daher vorteilhaft, eine Schwellenspannung für den Vergleicher 42 zu wählen, die so nahe wie möglich bei Null liegt, da der im Vergleicher 28 verwendete Schwellwert die Ausgangsimpulse der monostabilen Schaltung auslöst.
Der erste Impuls, der von der Verknüpfungsschaltung 36 durchgelassen wird, wird dann von dem Zähler 18 des Analog-Digital- Umsetzers verwendet.
Die vorliegende Erfindung vermindert auf diese Weise die Zeit, welche zum Beseitigen der Anfangszustände aufgrund vorhergehender Spannungspegel, welche in einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer eingegeben werden, notwendig ist. Die Verminderung der Einschwingzeit wird dadurch erhalten, daß ein Beschleunigungsstrom am Summierknoten des Umsetzers vorgesehen wird und daß der Beschleunigungsstrom bei einem vorgegebenen Punkt im Betriebszyklus des Umsetzers entfernt wird. Der Beschleunigungsstrom erzielt einen Betrieb bei effektiv höheren Frequenzen, wodurch die Zeit verkürzt wird, welche erforderlich ist, um den ersten zuverlässigen Impuls bei der neuen Frequenz zu erhalten, wenn ein veränderter Spannungspegel in den Umsetzer eingegeben wird.
Die obige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wurde zu deren Erläuterung und Beschreibung präsentiert und ist nicht erschöpfend, da viele Modifikationen und Variationen im Lichte der obigen Lehre möglich sind. Diese Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Grundsätze der Erfindung und ihre praktische Anwendung möglichst gut zu beschreiben, um dadurch anderen Fachleuten auf diesem Gebiet zu ermöglichen, diese Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen und mit zahlreichen Modifikationen so zu nutzen, daß sie für den jeweils gewünschten Anwendungsfall geeignet ist.

Claims

1. Spannungs-Frequenz-Umsetzer (22) mit Ladungsausgleich, der Impulse mit einer Frequenz abgibt, die durch den Pegel (VIN) einer ihm zugeführten Eingangsspannung bestimmt ist, wobei der Spannungs-Frequenz-Umsetzer (22) eine erste Periode zum Rücksetzen eines Integrierers (26) und eine zweite Periode zum Integrieren einer Eingangsspannung (VIN) und Ausgleichen eines Ladungszustands in seinem Integrierer (26) hat und wobei dieser Spannungs-Frequenz-Umsetzer während eines EIN-Zustands eines Spannungsumsetzungs-Anforderungssignals (CONVERT) Ausgangsimpulse liefert, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Beruhigungsdauer-Verkürzungseinrichtung (34) aufweist, um eine von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (22) benötigte Zeitdauer zum Liefern eines ersten Impulses, der dem momentanen Eingangsspannungspegel entspricht, zu verkürzen, wobei die Verkürzungseinrichtung (34) folgendes aufweist:

eine Beschleunigungsstrom-Erzeugungseinrichtung (38) zum Erzeugen eines Beschleunigungsstroms (IS), um die zum Ausgleich des Ladungszustands erforderliche Zeit zu verkürzen, wobei der Beschleunigungsstrom erzeugt wird, während das Spannungsumsetzungs-Anforderungssignal im AUS-Zustand und der Integrierer in einer Integrationsperiode ist, und

eine Einrichtung (24) zum Anlegen des Beschleunigungsstroms an den Integrierer (26) des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (22).

2. Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 1, der ferner eine Synchronisiereinrichtung (40) aufweist, die aufgrund eines Spannungsumsetzungs-Anforderungssignals (CONVERT) den Beschleunigungsstrom (IS) entfernt, wenn die integrierte Eingangsspannung einen vorbestimmten Spannungspegel hat.

3. Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 2, die ferner eine auf die Synchronisiereinrichtung (40) ansprechende Verknüpfungseinrichtung (36) hat,

wobei die Verknüpfungseinrichtung (36) geschaltet ist, um ein Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (22) und ein Freigabe-Ausgangssignal der Synchronisiereinrichtung (40) zu empfangen,

wobei die Synchronisiereinrichtung (40) das Freigabe- Ausgangssignal zur Freigabe der Verknüpfungseinrichtung (36) für die Abgabe des Ausgangssignals des Spannungs-Frequenz- Umsetzers (22) nur liefert, wenn die integrierte Eingangsspannung den vorbestimmten Spannungspegel (Vt2) hat und der Beschleunigungsstrom (IS) entfernt ist.

4. Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 3, wobei die Synchronisiereinrichtung (40) Elemente (42, 44) aufweist, um die Verknüpfungseinrichtung (36) zu aktivieren, wenn der vorbestimmte Spannungspegel (Vt2) in einer Integrationsperiode des Betriebs des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (22) detektiert wird.

5. Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 2, wobei die Synchronisiereinrichtung (40) aufweist:

eine Periodenidentifizierungseinrichtung (42, 54), die aufgrund des Anforderungssignals (CONVERT) zwischen einer Integrationsperiode und einer Rücksetzperiode des Betriebs des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (22) unterscheidet, und

eine Entfernungseinrichtung (58, 56), die auf die Identifizierungseinrichtung (42, 54) und auf eine Ausgangsspannung des Integrierers (26) anspricht, um den Beschleunigungsstrom (IS) von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (22) zu entfernen, wenn die Ausgangsspannung des Integrierers (26) einen vorgewählten Schwellenpegel während einer vorbestimmten Periode des Betriebs des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (22) hat.

6. Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 5, wobei die Entfernungseinrichtung (56, 58) aktivierbar ist, um den Beschleunigungsstrom von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (22) zu entfernen, wenn die Ausgangsspannung des Integrierers (26) den vorgewählten Schwellenpegel während einer Integrationsperiode des Betriebs des Spannungs-Frequenz- Umsetzers (22) hat.

7. Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 5, wobei die Periodenidentifizierungseinrichtung aufweist:

einen Vergleicher (42), der ein erstes und ein zweites Eingangssignal empfängt,

eine Schwellenspannungswähleinrichtung (52), um den vorgewählten Schwellenwert (Vt2) an den ersten Eingang des Vergleichers (42) abzugeben,

wobei der Vergleicher (42) auf die Ausgangsspannung des Integrierers (26) an seinem zweiten Eingang anspricht, und ein erstes bistabiles Schaltungselement (54), das auf ein Übergangsausgangssignal des Vergleichers (42) in einer vorbestimmten Richtung anspricht.

8. Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 7, wobei das erste bistabile Schaltungselement (54) ausgelegt ist, um auf einen Übergang während einer Ausgleichsperiode des Betriebs des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (22) anzusprechen,

wobei die Entfernungseinrichtung (58, 56) folgendes aufweist:

eine zweite bistabile Schaltungseinrichtung (58, 56), die auf das erste bistabile Schaltungselement (54) und auf den Vergleicher (42) anspricht, um den Beschleunigungsstrom (IS) von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (22) bei einem nächsten Übergangsausgangssignal des Vergleichers (42) während einer der Ausgleichsperiode nächstfolgenden Integrationsperiode zu entfernen.

9. Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 8, der ferner eine Ausgangsverknüpfungseinrichtung (36) aufweist, die auf die Entfernungseinrichtung (58, 56) anspricht, wobei die Verknüpfungseinrichtung (36) geschaltet ist, um ein Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (22) und ein Freigabe-Ausgangssignal der Entfernungseinrichtung (58, 56) zu empfangen, und die Entfernungseinrichtung (58, 56) das Freigabe-Ausgangssignal zur Freigabe der Verknüpfungseinrichtung (36), um das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz- Umsetzers (22) abzugeben, nur liefert, wenn die integrierte Eingangsspannung den vorbestimmten Spannungspegel hat und der Beschleunigungsstrom (IS) entfernt ist.

10. Spannungs-Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 7, wobei die Entfernungseinrichtung (58, 56) aufweist:

eine zweite bistabile Schaltungseinrichtung (56, 58), die auf das erste bistabile Schaltungselement (54) und auf den Vergleicher (42) anspricht, um den Beschleunigungsstrom (IS) von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (22) bei einem nächsten Übergangsausgangssignal des Vergleichers (42) zu entfernen, und zwar während einer Betriebsperiode des Spannungs-Frequenz-Umsetzers (22), die als nächste auf eine Periode folgt, während welcher das erste bistabile Schaltungselement (54) auf das Übergangsausgangssignal des Vergleichers (42) in der vorbestimmten Richtung anspricht.