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Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine ihr
verhältnisgleiche Frequenz Bei Fernübertragungsanlagen ist es verhältnismäßig einfach,
frequenzmodulierte Signale zu übertragen, d. h. Signale, deren Nachrichteninhalt
durch die Frequenz wiedergegeben wird. Dagegen ist es sehr schwierig, Gleichspannungen
direkt zu übertragen, wie sie normalerweise als Ausgangsspannungen von Meßwandlern
auftreten. Es tritt daher häufig die Aufgabe auf, die Ausgangsgleichspannung eines
Wandlers in ein Signal zu verwandeln, dessen Frequenz ein Maß für die Spannung ist.
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Sogenannte Digitalkonverter, d. h. ziffernmäßig arbeitende Umsetzer
von Spannungswerten in Frequenzwerte sind bekannt. Bei einer bekannten Schaltung
wird ein möglichst konstanter Kondensator auf einen bestimmten Wert aufgeladen und
dann völlig entladen.
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Die Frequenz, mit der der Kondensator geladen und entladen wird, ist
ein Maß für die Größe der Eingangsspannung. Anderungen der Kondensatorparameter
führen dabei zu Frequenzfehlern im Ausgangssignal.
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Bei den bekannten Schaltungen können auch Fehler durch Anderung des
Auslösepegels der die Entladung des Kondensators bewirkenden Schaltung auftreten.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bereits bekannt, die Zündspannung
einer zur Entladung verwendeten Gasentladungsröhre hinreichend zu verstärken.
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Die zur Verstärkung der Meßgleichspannung dienende Röhre kann dabei
gleichzeitig auch für die Verstärkung der Zündimpulse verwendet werden. Der Einfluß
von Schwankungen der Zündkennlinie der Gasentladungsröhre wird dadurch zwar stark
verringert, Kapazitätsänderungen des Ladekondensators gehen jedoch nach wie vor
voll in die Ausgangsfrequenz ein.
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Die bekannten Schaltungen arbeiten außerdem unzuverlässig, wenn das
Eingangssignal und damit die Frequenz gegen Null gehen.
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Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden, insbesondere
soll erreicht werden, daß die Ausgangsfrequenz praktisch unabhängig von Kapazitätsänderungen
des Ladekondensators und von Schwankungen des Auslösepegels der die Entladung des
Kondensators bewirkenden Einrichtung wird.
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Eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine
ihr verhältnisgleiche Frequenz mit einem Kondensator, den die umzuformende Gleichspannung
über einen Widerstand auflädt, ferner mit einem Impulsgenerator, der bei einem bestimmten,
vorgebbaren Wert der Kondensatorspannung ausgelöst wird, und mit Mitteln zur Entladung
des Kondensators ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeiciinet, daß der Impulsgenerator
Ausgangsimpulse konstanten Energieinhaltes liefert, die auf den Kondensator zur
Absenkung seiner Ladung um einen konstanten Betrag rückgekoppelt sind.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden
: Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Umwandlung eines Spannungssignals
in ein Frequenzsignal gemäß der Erfindung ; Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer
Fig. 1 ähnlichen Schaltung, die sich für Messungen von positiven und negativen Eingangsspannungen
eignet ; Fig. 3 zeigt eine weitere Ausfiihrungsform der Erfindung ; Fig. 4 zeigt
die Kurvenformen von an verschiedenen Punkten der Schaltung auftretenden Signalen
und dient zur Erläuterung der Schaltungen nach Fig. 1, 2 und 3.
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Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Erzeugung
von Impulsen bestimmter, konstanter Energie, und Fig. 6 zeigt ein vollständiges
Schaltbild einer Anlage gemäß der Erfindung, die dem Blorkschaltbild nach Fig. 2
entspricht.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird das Eingangssignal
dem Anschluß 11 zugeführt, der über einen Widerstand 12 mit einem Verzweigungspunkt
13 verbunden ist. An diesen Verzweigungspunkt ist ein Verstärker 14 angeschlossen.
Das verstärkte Signal erscheint in der Leitung 16. Der Verstärker 14 ist durch einen
Kondensator 17 überbrückt. An die Leitung 16 ist ein Impulsgenerator und-former
18
angeschlossen, dem der Ausgang des Verstärkers zugeffihrt wird.
Der Ausgang der Schaltung 18 erscheint an der Leitung 19, die mit einer Ausgangsklemme
20 verl) unden ist. Das Ausgangssignal der Schaltung 18 wird durch eine Rückkopplungsleitung
21, die einen Serienwiderstand 22 enthält, zum Verzweigungspunkt 13 zuriickgeführt.
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Der Verstärker 14 ist vorzugsweise ein hochverstarkender Gleichspannungsverstärker.
Der Verstärker kann ein spannungsstabilisierter Zerhacker oder ein anderer hochverstärkender
Verstärker sein, der in der Lage ist, Spannungen, die sich nur langsam ändern, zu
verstärken. SolcheVerstärker sind bekannt.
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Die Schaltung 18 liefert immer dann einen Ausgangsimpuls, wenn die
ihrem Eingang zugeführte Spannung einen bestimmten Pegel erreicht. Die Impulse besitzen
einen konstanten Energie-I) zw.
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Ladungsinhalt unabhängig von der Impulsfreluenz.
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Ein geeigneter Impulsgenerator ist in Fig. 5 in Blockform dargestellt.
Die dargestellte Schaltung enthält einen Sperrschwinger 26, der ausgelöst wird,
wenn die ihm zugeführte Spannung eine hestimmte Amplitude erreicht, was durch die
Sägezahnschwingung an seinem Eingang angedeutet ist. Der Oszillator ist so bemessen,
daß er bei jeder Auslosung eine Schwingungsperiode ausführt. Das Ausgangssignal
ist an der Ausgangsleitung versinnbildlicht. Dieses Signal wird dann durch einen
Verstärker 27 verstärkt und einer sättigbaren Reaktanz 28 zugeführt.
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Das verstärkte Signal hat eine solche Amplitude, daß die Reaktanz
ausreichend in die Sättigung getrieben wird. Wie bekannt, haben unter diesen Umständen
die Ausgangssignale der Reaktanz konstanten Energieinhalt. Die Ausgangssignale der
Reaktanz 28 werden einer Impulsformerstufe 29 zugeführt, die eine Diode enthalten
kann und die Ausgangsimpulse 31 nur einer bestimmten Polarität liefert.
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Die Impulse 31 konstanten Energieinhalts werden dann über den Widerstand
22 dem N'erzweigungspunkt 13 wieder zugeführt.
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Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1 ist leichter in Verbindung
mit Fig. 4 zu ubersehen, in der die verschiedenen Signalformen dargestellt sind.
Es soll jedoch bemerkt werden, daß die Schwingungen nicht maßstabsgetreu aufgetragen
sind. Das dem gemeinsamen Verzweigungspunkt 13 zugeführte Eingangssignal dient zur
Aufladung des Kondensators 17. Entsprechend Fig. 4A lädt sich der Kondensator mit
einer Geschwindigkeit auf, die von seiner Kapazität und der Eingangsspannung abhängt.
Die Aufladegeschwindigkeit ist in Fig. 4A schematisch für drei Fälle eingezeichnet,
die durch die Kurven 32a, 32b und 32 c dargestellt sind. Der Spannungsanstieg wird
durch den Verstärker 14 verstärkt. Der Ausgang des Verstärkers ist eine Spannung
ähnlicher Form wie die Spannung am gemeinsamen Verzweigungspunkt (Fig. 4A), ihre
Amplitude hängt jedoch von dem Verstärkungsgrad des Verstärkers ab. Die Impulserzeugerschaltung
wird so bemessen, daß sie bei einem bestimmten Wert 33a, wie beschrieben, anspricht.
Bei einer Ausführungsform war der Auslösepegel auf 0,5 V eingestellt. Ein Spannungsanstieg
von 5-10-9V am gemeinsamen Verbindungspunkt 13 lieferte ein verstärktes Ausgangssignal,
das ausreichte, um den Impulsgenerator auszulösen.
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In Fig. 4B sind die Rückkopplungsimpulse 34a dargestellt. Wenn also
der Kondensator aufgeladen wird und die Kurve 32a den durch die Linie 33n gegebenen
Pegel erreicht, wird der Sperrschwinger ausgelöst und verursacht die Erzeugung eines
Impulses
34a. Bei dem erläuternden Beispiel liegt eine bestimmte, feste Spannung
für drei Perioden der Ausgangsfrequenz an. Anschließend wird eine niedrigere Spannung
angelegt, so daß der Kondensator mit geringerer Geschwindigkeit aufgeladen wird.
Die Frequenz der Impulse 34a fällt. Nun wird eine hohe Spannung angelegt, so daß
die Impulse 34a mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz auftreten. Es ist ersichtlich,
daß bei der Eingangsspannung Null keine Aufladung des Kondensators eintritt und
keine Impulse erzeugt werden.
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Wie erwähnt, ist der Umsetzer gemäß der Erfindung verhältnismäßig
unabhängig von Schwankungen der Werte des Kondensators und des Auslösepegels.
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Dies kann in Verbindung mit Fig. 4 leicht eingesehen werden. Es soll
noch einmal daran erinnert werden, daß der Impulsgenerator 18 Impulse liefert, die
eine hestimmte, konstante Energie besitzen, wie in Fig. 4 B dargestellt ist. Es
ist insbesondere in Verbindung mit der Kurve 32a ersichtlich, daß jedesmal, wenn
sie den durch die Linie 33 a gegebenen Wert erreicht, ein Impuls 34 auftritt, der
den Kondensator um einen entsprechenden Wert entlädt. Der Kondensator lädt sich
dann erneut auf, bis die Spannung wieder den Pegel 33a erreicht, worauf wieder ein
Impuls gel) ildet wird, der den Kondensator entsprechend entlädt usw.
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Es möge nun angenommen werden, daß der Auslösepegel infolge vonAnderungen
der Schaltungsparameter steigt, was durch die Linie 33 b eingezeichnet ist. Während
der ersten Periode entsteht ein Fehler. der dem Abstand der ersten Maxima der Kurven
32a und 32b entspricht. Nachfolgende Perioden besitzen jedoch die richtige Frequenz,
da die Impulse 34 die Ladung des Kondensators um einen konstanten Betrag absenken.
Dies geht klar aus der Kurve 32b hervor.
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Auch wenn sich die Eigenschaften des Kondensators ändern oder der
Kondensator ersetzt wird, liefert die Schaltung die richtige Ausgangsfrequenz für
eine gegebene Eingangsspannung. Dies geht aus der Kurve 32c hervor. Wenn sich die
Eigenschaften des Kondensators plötzlich ändern, so wird auch die Aufladungsgeschwindigkeit
geändert, z. B. kleiner wie dargestellt. Ein dem Abstand 35 entsprechender Fehler
tritt während einer Periode auf. Wird dem Kondensator jedoch der nächste, rückgekoppelte
Impuls zugeführt, so wird die Spannung nicht so weit abgesenkt wie früher, und die
Frequenz hat für die folgenden Perioden wieder den richtigen Wert.
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Die Unempfindlichkeit gegen Anderungen des Auslösepegels und der
Kondensatorparameter wird durch die Verwendung einer Impulsformerschaltung erreicht,
die Impulse mit einem bestimmten, konstanten Energieinhalt liefert.
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Der Verzweigungspunkt 13 ist bei der Schaltung nach Fig. 1 naturgemäß
jederzeit auf Massepotential.
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Es ist dadurch möglich, an den Verzweigungspunkt 13 mehr als einen
Eingang anzuschließen. So können beispielsweise zusätzliche Widerstände 12a. 12b
usw. vorgesehen werden, die wahlweise an andere Eingänge 11 a, 11 b usw. angeschaltet
werden oder dauernd durchverbunden sein, um Spannungen zu addieren oder zu subtrahieren.
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Sieht man zwei Impulsgenerator-und Formerschaltungen vor, von denen
eine anspricht, wenn die Spannung einen bestimmten positiven und die andere, wenn
die Spannung einen bestimmten negativen Wert erreicht, und die Rückkopplungsimpulse
verschiedener Polarität liefert, so ist es möglich, eine Einrichtung aufzubauen,
die in der Lage ist, Spannungen heider
Polarität zu messen und eine
Anzeige sowohl der Polarität als auch der Groie der angelegten Spannung zu liefern.
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In Fig. 2 ist eine derartige Schaltung dargestellt.
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Die Schaltung ist ähnlich, wie Fig. 1, deshalb werden gleiche Bezugszeichen
verwendet. Der Index a bezeichnet dabei die für die Messung positiver Spannungen
vorgesehenen Schaltungseinheiten, die im übrigen mit gleicher Bezugszahl bezeichneten
Einheiten in Fig. l entsprechen, während der Index b die Schaltungseinheiten für
die Messung negativer Spannungen bezeichnen soll. Die Schaltung arbeitet sonst,
wie im vorstehenden erläutert wurde.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausffihrung der Erfindung.
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Das Eingangssignal wird über einen Anschluß 51 und einen Widerstand
52 einem Verzweigungspunkt 53 zugeführt. Ein Widerstand 54, dessen Wert beträchtlich
größer ist, als der des Widerstandes 52 ist zwischen dem Verzweigungspunkt und Masse
geschaltet. Parallel zum Widerstand 54 liegt ein Kondensator 57, der durch die Eingangsspannung
aufgeladen wird. Die Spannung am Verzweigungspunkt 53 wird durch einen Verstärker
58 verstärkt und einer Impulsgeneratorschaltung 59 der beschriebenen Art zugeführt,
die Impulse 61 konstanter Energie liefert. Die Impulse 61 werden über einen Widerstand
62 zum Verzweigungspunkt 53 zurückgeführt. Die Ausgangsfrequenz kann an der Klemme
63 abgenommen werden. Die Arbeitsweise der Schaltung entspricht den beschriebenen
Beispielen.
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In Fig. 6 ist ein dem Blockschaltbild nach Fig. 2 entsprechendes
ins einzelne gehendes Schaltbild dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Die die Transistoren 71 und 72 enthaltenden Schalteinheiten entsprechen
den Sperrschwingoszillatoren für die Impulsformernetzwerke 18a und 18b (26 in Fig.
5). Die die Transistoren 73 und 74,76 und 77 enthaltenden Schalteinheiten entsprechen
dem Verstärker27 in Fig. 5. Die Schalteinheiten, die die Gleichrichter 78 bzw. 79
enthalten, entsprechen der Impulsformer-und Gleichrichterstufe 29 (Fig. 5), die
Transformatoren 28 a und 28 b entsprechen der sattigbaren Reaktanz 28 (Fig. 5).
Die Widerstände 81,82, 83 und 84 entsprechen dem Widerstand 22 a und die Widerstände
81,86,87 und 88 entsprechen dem Widerstand 22 b.
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Die Anordnung der verschiedenen Schaltelemente ist aus der Zeichnung
ersichtlich und soll nicht näher ausgeführt werden. Die Schaltungsparameter und
Betriebsspannungen hatten bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der dargestellten
Schaltung folgende Werte : Spannungen : -V..........................-10 V +V1 ---300
V V,... 300 V Transistoren : 71 und 72..................... GT 88 73,74,76,77..................
GT 758 Dioden : 78, 79............. HD 6557 (Hughes)
Transformatoren : 28a, 28b....
Dynac Type 1578-0001 80a, 80b...... FF 71-2248 (Pulse Eng.) Widerstände : 12....
900 kOhm 101.... 100 Ohm 81.. 1 MOhm 102.... 100 Ohm 82.. 500 kOhm 103 100 Ohm 83...
10 kOhm 104 100 Ohm 84.. 10 kOhm 105 100 Ohm 86.... 500 kOhm 106.... 100 Ohm 87....
1 (} kOhm 107 560 Ohm 88.... 10 kOhm 108 560 Ohm 89.... 120 kOhm 109.. 120 Ohm 91....
120 kOhm 111 120 Ohm 92.... i kOhm 112.... 680 Ohm 93.. 1 kOhm 113.... 680 Ohm 94....
470 kOhm 114.... 22 kOhm 96.... 22 Ohm 116. 22 kOhm 97.... 22 Ohm 117. 1 kOhm 98....
100 Ohm 118 47 kOhm 99.... 470 kOhm 119 47 kOhm 120.... 1 kOhm Kondensatoren : 121...........................
0,22 pu 122........................... 0,22 fi 123........................... FF
Als Verstärker 14 fand eine fertig käufliche Einheit (USA 3, Philbrick Research
Inc., Boston) Verwendung.
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Die Arbeitsweise der Schaltung wurde bereits in Verbindung mit den
Blockschaltl) ildern erläutert.
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Eine dieser Schaltung entsprechende Anlage lieferte beispielsweise
bei einer Anderung der Eingangsspannung von 0 auf l V eine Frequenzänderung von
0 auf 10 kHz. Die Einrichtung erlaubt, Spannungen mit einer Genauigkeit von 0, I
°/o und besser zu messen.
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PATENTANSPR (lr-HE : 1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer
Gleichspannung in eine ihr verhältnisgleiche Frequenz mit einem Kondensator, den
die umzuformende Gleichspannung über einen Widerstand auflädt, ferner mit einem
Impulsgenerator, der bei einem bestimmten, vorgebbaren Wert der Kondensatorspannung
ausgelöst wird und mit Mitteln zur Entladung des Kondensators, dadurch gekennzeichnet,
daß der Impulsgenerator (18) Ausgangsimpulse (34) konstanten Energieinhaltes liefert,
die auf den Kondensator (17) zur Absenkung seiner Ladung um einen konstanten Betrag
rückgekoppelt sind.