WO1992016050A1

WO1992016050A1 - Spannungs/frequenz-umsetzer

Info

Publication number: WO1992016050A1
Application number: PCT/DE1992/000106
Authority: WO
Inventors: Winfried Schulz
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1992-02-13
Publication date: 1992-09-17
Also published as: DE4106641C1

Abstract

Ein Spannungs/Frequenz-Umsetzer enthält eine Integrierstufe (1), eine weitere Integrierstufe (2), eine Schwellwerteinrichtung (3) und einen Impulsgenerator (4). Die weitere Integrierstufe (2) ist eingangsseitig jeweils mit einer umzusetzenden Spannung (Ue) beaufschlagbar; ihr Ausgang ist mit einem Eingang der einen Integrierstufe (1) verbunden. Deren Ausgangssignal (12) regt beim Überschreiten eines Schwellwertes den Impulsgenerator (4) zur Abgabe eines Impulses (17) an. Dieser Impuls (17) bewirkt ein Rücksetzen des Ausgangssignals (12), so daß die Frequenz (f) der abgegebenen Impulse (17) ein spannungsproportionales Ausgangssignal bildet. Die Impulse (17) beaufschlagen außerdem eingangsseitig in Gegenkopplung die weitere Integrierstufe (2). Durch diese frequenzproportionale analoge Gegenkopplung weist der erfindungsgemäße Spannungs/Frequenz-Umsetzer eine äußerst hohe Linearität auf, die nur noch von der Impulsdauer- und Impulsamplitudenkonstanz abhängt.

Description

Spannungs/Frequenz-Umsetzer

Die Erfindung betrifft einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit einer Integrierstufe, deren Eingang mit einer der umzusetzen¬ den Spannung entsprechenden Größe beaufschlagbar ist und deren Ausgangssignal auf eine Schwellwerteinrichtung geführt ist, die bei Schwellwertüberschreitung einen Impulsgenerator zur Abgabe eines Impulses veranlaßt, der durch Rückkopplung auf den Eingang der Integrierstufe ein Rücksetzen des Ausgangs¬ signals bewirkt, so daß die Frequenz der abgegebenen Impulse der umzusetzenden Spannung proportional ist.

Bei einem derartigen bekannten ("A/D- und D/A-Wandler"; Eckl, Pütgens, Walter, München, Franzis-Verlag 1980, Seiten 11 bis 13) Spannungs/Frequenz-U setzer ist eine Integrierstufe von einem als Integrator beschalteten Operationsverstärker gebil¬ det, an dessen Eingang eine der umzusetzenden Spannung ent¬ sprechende Größe anlegbar ist. Der Ausgang des Integrators ist auf eine Schwellwerteinrichtung geführt, die einen Impuls¬ generator beaufschlagt. Der Impulsgenerator gibt bei schwell- wertübersteigenden Ausgangssignalen des Integrators jeweils Impulse mit einer bestimmten, konstanten Dauer ab. Die abge¬ gebenen Impulse steuern eine Stromquelle derart, daß bei Auftreten eines Impulses eine Entladung einer Integrator-Ka¬ pazität und damit ein Rücksetzen des Ausgangssignals der In¬ tegrierstufe erfolgt. Die Anzahl der abgegebenen Impulse pro Zeiteinheit (Impulsfrequenz) ist ein Maß für die umzusetzende Spannung.

Die Linearität des bekannten Spannungs/Frequenz-Umsetzers wird entscheidend von dem Integrations- bzw. Rücksetzverhalten der Integrierstufe bestimmt, so daß an die Linearität der Aufla¬ dung bzw. Entladung der Integrator-Kapazität hohe Anforderun- gen zu stellen sind. Außerdem muß die Schwellwerteinrichtung eine möglichst frequenzunabhängige Ansprechcharakteristik

ER^SA^TZBLATT aufweisen. Diese Bedingungen lassen sich oberhalb einer Fre¬ quenz von ca. 100 kHz nur noch mit einem hohen schaltungs¬ technischen Aufwand unter Verwendung hochwertiger, teurer Bauelemente erfüllen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Span- nungs/Frequenz-Umsetzer zu schaffen, der sich bei einfachem Aufbau durch eine hohe Linearität, insbesondere in hohen Frequenzbereichen auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Spannungs/Fre- quenz-Umsetzer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der einen Integrierstufe eine weitere Integrierstufe vorgeord¬ net ist, die eingangsseitig mit der umzusetzenden Spannung und in Gegenkopplung mit den abgegebenen Impulsen beaufschlagt ist. Die weitere Integrierstufe weist vorzugsweise eine sehr hohe Verstärkung auf. Die weitere Integrierstufe bildet einen arithmetischen Mittelwert, der zur Frequenz der abgegebenen Impulse proportional ist. Das Ausgangssignal der weiteren In- tegrierstufe steigt gemäß der umzusetzenden Spannung zunächst an, bis der arithmetische Mittelwert der umzusetzenden Span¬ nung entspricht. Dieses Ausgangssignal nimmt dann einen konstanten, der umzusetzenden Spannung entsprechenden Wert an. Durch die auf diese Weise gebildete frequenzproportionale analoge Gegenkopplung werden in vorteilhafter Weise Einflüsse von Nichtlinearitäten der einen Integrierstufe und ein Einfluß der Frequenzabhängigkeit der Schwellwerteinrichtung elimi¬ niert. Der erfindungsgemäße Spannungs/Frequenz-U setzer kann mit handelsüblichen C-MOS-Bausteinen und Operationsverstärkern aufgebaut werden und zeichnet sich durch eine hohe Linearität von ca. 0,02 % bis zu einer Frequenz von 1,2 MHz aus.

Ein besonders lineares Verhalten des erfindungsgemäßen Spa¬ nnungs/Frequenz-Umsetzers läßt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß die weitere Integrierstufe eine im Vergleich zu der einen Inte-

ER^SATZBLATT grierstufe um mindestens eine Größenordnung längere Integra¬ tionszeit aufweist. Vorzugsweise ist die Integrationszeit der weiteren Integrierstufe um den Faktor 1000 größer als die der einen Integrierstufe.

Ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Spannungs/Frequenz-Umsetzers läßt sich dadurch erreichen, daß der Impulsgenerator ein monostabiler Vibrator ist.

Eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Spannungs/Fre¬ quenz-Umsetzers besteht darin, daß die Schwellwerteinrichtung von einer Eingangsstufe des Impulsgenerators gebildet ist. Handelsübliche Impulsgeneratoren - beispielsweise ein mono¬ stabiler Vibrator oder ein mit einer Zeitbasis versehender bistabiler Multivibrator - weisen Eingangsstufen auf, deren Eingangsempfindlichkeit bei der halben Betriebsspannung liegt; diese Empfindlichkeit stellt einen geeigneten Schwellwert dar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit einer einzigen Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Spannungs/Frequenz-Umsetzer mit einer Integrierstufe 1, einer weiteren Integrierstufe 2, einer Schwellwerteinrichtung 3 und einem Impulsgenerator 4. Die weitere Integrierstufe 2 ist von einem als Integrator mit einer Kapazität 5 beschalteten Operationsverstärker 6 ge¬ bildet. Am nichtinvertierenden Eingang des Operationsver¬ stärkers 6 ist eine umzusetzende Spannung U angelegt. Ein Ausgang 7 der weiteren Integrierstufe 2 beaufschlagt einen nichtinvertierenden Eingang 8 der einen Integrierstufe 1, die ebenfalls aus einem mit einer Kapazität 9 als Integrator be¬ schalteten Operationsverstärker 10 gebildet ist. Ein Ausgang 11 der einen Integrierstufe 1 gibt ein Ausgangssignal 12 ab, das die Schwellwerteinrichtung 3 eingangsseitig beaufschlagt. Ausgangsseitig ist die Schwellwerteinrichtung 3 mit dem Impulsgenerator 4 verbunden, der von einem monostabilen

ERSATZBLATT Multivibrator gebildet ist. An einem Ausgangspunkt 16 des Spannungs/Frequenz-Umsetzers sind von dem Impulsgenerator 4 abgegebene und andeutungsweise dargestellte Impulse 17 kon¬ stanter Impulsbreite und -amplitude abgreifbar. Die Frequenz f der Impulse 17 ist ein Maß für die umzusetzende Spannung U . Die abgegebenen Impulse 17 werden über eine Rückkopplungs¬ leitung 18 auf einen invertierenden Eingang 19 der einen Integrierstufe 1 geführt. Außerdem werden die Impulse 17 über eine Gegenkopplungsleitung 20 auf einen invertierenden Eingang 21 der weiteren Integrierstufe 2 geführt, wobei die Impulshöhe zur Erhöhung der Eingangsempfindlichkeit des Spannungs/Fre¬ quenz-Umsetzers mittels eines von Widerständen 22 und 23 gebildeten Spannungsteilers vermindert ist. Die Integra¬ tionszeit der weiteren Integrierstufe 2 ist um den Faktor 1000 größer als die der einen Integrierstufe 1.

Gemäß der umzusetzenden Spannung U erhöht sich durch Inte¬ gration zunächst die am Ausgang 7 der weiteren Integrierstufe 2 auftretende Spannung und beaufschlagt den nichtinvertie- renden Eingang 8 der einen Integrierstufe 1. Erreicht deren

Ausgangssignal 12 einen vorgegebenen Schwellwert der Schwell¬ werteinrichtung 3, so löst dies die Abgabe eines Impulses 17 durch den Impulsgenerator 4 aus. Der abgegebene Impuls 17 führt über die Rückkopplungsleitung 18 zur schnellen Entladung der Kapazität 9 und gleichzeitig erfolgt eine Integration des Impulses 17 durch den Kondensator 5 der weiteren Integrier¬ stufe 2. Nach Beendigung des Impulses 17 beginnt der Integra¬ tionsvorgang der einen Integrierstufe 1 erneut bis zur erneu¬ ten Abgabe eines Impulses 17 durch den Impulsgenerator 4. Schließlich erreicht der in der weiteren Integrierstufe 2 durch Integration gebildete arithmetische Mittelwert der ab¬ gegebenen Impulse 17 einen der umzusetzenden Spannung U entsprechenden Wert, so daß das Ausgangssignal der weiteren Integrierstufe 2 auf einem konstanten Wert verharrt. Gemäß diesem Ausgangssignal erfolgt die weitere Bildung der Impulse 17 durch die Integrierstufe 1 im Zusammenspiel mit der Schwellwerteinrichtung 3 und dem Impulsgenerator 4. Damit ist eine frequenzproportionale, analoge Gegenkopplung geschaffen, durch die Schwankungen der Linearität bei der Auf- bzw.

Entladung der Kapazität 9 und frequenzabhängige Veränderungen des Schwellwertes der Schwellwerteinrichtung 3 ohne Einfluß auf die am Ausgangspunkt 16 auftretende Frequenz f der Impulse

17 bleiben.

Da der Impulsgenerator 4 eingangsseitig eine Mindestansprech- Spannung aufweist, nach deren Überschreiten erst ein Ausgangs¬ impuls 17 generiert wird, kann die Schwellwerteinrichtung 3 entfallen und das Ausgangssignal 12 direkt auf den Eingang des Impulsgenerators 4 geführt sein. In diesem Fall ist der Schwellwert durch die Eingangsempfindlichkeit des I pulsgene- rators 4 bestimmt.

ERSATZBLATT

Claims

Patentansprüche

1. Spannungs/Frequenz-Umsetzer mit einer Integrierstufe (1), deren Eingang (8) mit einer der umzusetzenden Spannung (U ) entsprechenden Größe beaufschlagbar ist und deren Ausgangs¬ signal (12) auf eine Schwellwerteinrichtung (3) geführt ist, die bei Schwellwertüberschreitung einen Impulsgenerator (4) zur Abgabe eines Impulses (17) veranlaßt, der durch Rück¬ kopplung auf den Eingang (19) der Integrierstufe (1) ein Rücksetzen des Ausgangssignals (12) bewirkt, so daß die

Frequenz (f) der abgegebenen Impulse (17) der umzusetzenden

Spannung (U ) proportional ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der einen Integrierstufe (1) eine weitere Integrierstufe (2) vorgeordnet ist, die eingangsseitig mit der umzusetzenden Spannung (U ) und in Gegenkopplung mit den abgegebenen Im- pulsen (17) beaufschlagt ist.

2. Spannungs/Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die weitere Integrierstufe (2) eine im Vergleich zu der einen Integrierstufe (1) um mindestens eine Größenordnung längere Integrationszeit aufweist.

3. Spannungs/Frequenz-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Impulsgenerator (4) ein monostabiler Vibrator ist.

4. Spannungs/Frequenz-Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schwellwerteinrichtung (3) von einer Eingangsstufe des

Impulsgenerators (4) gebildet ist.

ERSATZBLATT