DE19905077C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Umwandeln eines Frequenzsignals in eine Gleichspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schal­ tungsanordnung zum Umwandeln eines Frequenzsignals in eine Gleichspannung.

Zum Umwandeln eines Frequenzsignals in eine elektrische Gleichspannung ist es beispielsweise aus UKW-Berichte 2/88, S. 98-105, bekannt, eine monostabile Kippstufe (Univibra­ tor, monostabiler Multivibrator oder Monoflop) einzusetzen. Eine solche monostabile Kippstufe liefert bei einem Trigger­ vorgang als Ausgangssignal einen einmaligen Rechteckimpuls, dessen Breite oder zeitliche Dauer T0 durch ein externes RC- Glied vorgebbar ist. Wird nun an den Triggereingang der mono­ stabilen Kippstufe ein Frequenzsignal, d. h. ein periodisch zwischen zwei Werten oszillierendes Spannungssignal, bei­ spielsweise ein periodisches Rechtecksignal, der Frequenz f = 1/T gelegt, so entstehen am Ausgang der monostabilen Kippstufe Rechteckimpulse der Dauer T0 und einer Periode T, solange die Frequenz dieses Frequenzsignals kleiner ist als 1/T0.

Dem Ausgang der monostabilen Kippstufe ist ein Tiefpaßfilter nachgeschaltet, dessen Grenzfrequenz f_g sehr viel kleiner ist als die Frequenz f des Frequenzsignals. Am Ausgang des Tief­ paßfilters erhält man nun ein Gleichspannungssignal, dessen Höhe dem zeitlichen Mittelwert der am Ausgang der monostabi­ len Kippstufe anstehenden Rechteckimpulsfolge entspricht. Da die Pulsdauer T0 der Rechteckimpulse konstant ist, ist die Höhe des Gleichspannungssignals proportional zur Frequenz des Frequenzsignals.

Eine solche als Frequenz-Spannungs-Wandler bekannte Schal­ tungsanordnung kann beispielsweise als Tachogenerator oder FM-Demodulator verwendet werden. Vorzugsweise eignet sich ei­ ne solche Schaltungsanordnung zur Frequenzstabilisierung durchstimmbarer Oszillatoren.

Weiterhin ist aus dem Dokument DE 27 26 976 A1 eine Schal­ tungsanordnung bekannt, die eine integrierte Schaltung mit einem Impulsformer und zwei monostabilen Kippstufen umfaßt. Die monostabilen Kippstufen geben an den Ausgängen je ein Rechtecksignal mit zugehörigen Impulsbreiten ab, wobei letz­ tere über externe Netzwerke, die an Steuereingänge der mono­ stabilen Kippstufen angeschlossen sind, variabel eingestellt werden können. Die beiden Rechtecksignale der monostabilen Kippstufen werden über zwei Integratoren und zwei Impedanz­ wandler an die Ausgänge der Schaltungsanordnung geführt.

Außerdem ist aus der DE 35 24 597 C1 eine weitere Schaltungs­ anordnung zur Frequenz-Spannungs-Wandlung bekannt, die eine Impulsformstufe, eine monostabile Kippstufe, einen Integrator mit vorgegebener Zeitkonstante sowie ein weiteres spannungs­ gesteuertes, dem Integrator nachgeschaltetes Tiefpaßfilter umfaßt. Der Ausgang des zuletzt genannten spannungsgesteuer­ ten Tiefpaßfilters ist auf einen Steuereingang des Tiefpaß­ filters zurückgekoppelt.

In der Praxis zeigt sich jedoch, daß die Höhe oder der Wert des Gleichspannungssignals nicht exakt proportional zur Fre­ quenz des Frequenzsignals ist. Mit anderen Worten: Der Zusam­ menhang zwischen der Höhe des Gleichspannungssignals und der Frequenz ist nicht exakt linear. Dies wird beispielsweise verursacht durch nicht vollständig abgeschlossene Umladevor­ gänge, so daß die Höhe des Gleichspannungssignals mit zuneh­ mender Frequenz des Frequenzsignals immer etwas geringer aus­ fällt als es bei exakter Linearität sein müßte. Dies führt dann beispielsweise beim einem durchstimmbaren Oszillator zu Frequenzabweichungen oder zu Ablesefehlern auf der im allge­ meinen linearen Skala.

Es sind Frequenz-Spannungs-Wandler-ICs mit relativ guter Li­ nearität, beispielsweise das IC mit der Typenbezeichnung AD650 der Fa. Analog Devices, bekannt. Diese erfordern aber einen hohen internen schaltungstechnischen Aufwand und sind daher deutlich teuerer als Standard-Monoflops der digitalen CMOS- oder TTL-Serien. Der Preisunterschied kann dabei bis zu einem Faktor 100 betragen. Außerdem sind solche bekannten Frequenz-Spannungs-Wandler-ICs nur für eine Eingangsfrequenz bis etwa 1 MHz geeignet, wohingegen beispielsweise ein kon­ ventionelles TTL-Standard-Monoflop der Type SN74123 am Aus­ gang Rechteckpulse mit einer minimalen Dauer T0 bis etwa 40 ns erzeugen kann, so daß es im Prinzip möglich wäre, mit diesem Standard-Monoflop Frequenzsignale bis etwa 20 MHz zu verarbeiten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Umwandeln eines Frequenzsignals in eine Gleichspannung anzu­ geben, das mit geringem schaltungstechnischen Aufwand eine verbesserte lineare Beziehung zwischen der Frequenz des Fre­ quenzsignals und dem Wert des Gleichspannungssignals auch bei Verwendung von einfachen Standard-Monoflops ermöglicht. Au­ ßerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung hinsichtlich des Verfahrens gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei dem Verfahren zum Umwandeln eines Frequenzsignals in eine Gleichspannung werden aus dem Frequenzsignal ein erstes und ein zweites Ausgangsspannungssignal erzeugt, die jeweils aus einer Folge von Rechteckimpulsen bestehen, deren Impuls­ folgefrequenz gleich der Frequenz des Frequenzsignals ist. Mit einem ersten bzw. zweiten Tiefpaßfilter werden das erste und das zweite Ausgangsspannungssignal in ein erstes bzw. ein zweites Gleichspannungssignal umgewandelt, wobei mit dem zweiten Gleichspannungssignal die Impulsbreite der Rechteck­ impulse zumindest des ersten Ausgangsspannungssignals beein­ flußt wird.

Durch diese Maßnahme können die Höhe oder der Wert des ersten Gleichspannungssignals in Abhängigkeit von der Frequenz des Frequenzsignals geändert und Linearitätsfehler kompensiert werden. Wird beispielsweise die Impulsbreite erhöht, so er­ höht sich bei gleichbleibender Frequenz auch die Höhe des am Ausgang des ersten Tiefpaßfilters anstehenden ersten Gleich­ spannungssignals. Auf diese Weise kann ein bei konstanter Im­ pulsbreite auftretender Linearitätsfehler mit negativem Vor­ zeichen, d. h. der Wert des unkompensierten Gleichspannungs­ signals würde einer kleineren Frequenz entsprechen als dies bei exakter Linearität der Fall wäre, kompensiert werden. Je nach Vorzeichen des Linearitätsfehlers wird somit die Impuls­ breite des ersten Ausgangsspannungssignals entweder erhöht oder erniedrigt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das zweite Ausgangsspannungssignal durch Invertierung des ersten Ausgangsspannungssignals erzeugt, so daß das erste Gleich­ spannungssignal und das zweite Gleichspannungssignal zueinander gegenläufig sind. Dies ermöglicht bei der Verwendung gän­ giger Monoflop-ICs eine besonders einfache Kompensation des dort in der Regel negativen Linearitätsfehlers. In diesem Fall wird durch das zweite Gleichspannungssignal auch die Im­ pulsbreite des zweiten Ausgangsspannungssignal beeinflußt, da erstes und zweites Ausgangsspannungssignal lediglich zueinan­ der invertiert sind.

Bezüglich der Schaltungsanordnung wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 4. Die Schaltungsan­ ordnung gemäß der Erfindung enthält einen Schaltkreis zum Er­ zeugen eines ersten und zweiten Ausgangsspannungssignals aus dem Frequenzsignal, die jeweils aus einer Folge von Rechteck­ impulsen bestehen, deren Impulsfolgefrequenz gleich der Fre­ quenz des Frequenzsignals ist, einen ersten und zweiten Tief­ paßfilter zum Umwandeln des ersten bzw. zweiten Ausgangsspan­ nungssignals in ein erstes Gleichspannungssignal bzw. ein zweites Gleichspannungssignal, wobei das zweite Tiefpaßfilter zur Beeinflussung der Impulsbreite der Rechteckimpulse des ersten Ausgangsspannungssignals an einen diese Impulsbreite bestimmenden Steuereingang des Schaltkreises angeschlossen ist.

Vorzugsweise ist als Schaltkreis eine monostabile Kippschal­ tung vorgesehen. Dadurch ist die Verwendung kostengünstiger Standard-Monoflops der CMOS- oder TTL-Baureihe ermöglicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Ausgangsspannungssignal zum ersten Ausgangs­ spannungssignal invertiert. Dies ermöglicht eine besonders einfache Kompensation des bei Standard-Monoflops in der Regel auftretenden negativen Linearitätsfehlers.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Schaltkreis eine monostabile Kippschaltung vorgese­ hen, die zwei Ausgänge für zueinander invertierte erste und zweite Ausgangsspannungssignale hat.

Insbesondere ist der Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters über einen ohmschen Rückkopplungswiderstand an den Steuereingang der monostabilen Kippschaltung angeschlossen, dessen Wert so zu wählen ist, daß der Linearitätsfehler im vorgesehenen Aus­ gangsspannungsbereich am kleinsten wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh­ rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in einem schematischen Blockschaltbild,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit ei­ nem CMOS-Standard-Monoflop Typ 4528 als Schaltkreis,

Fig. 3 eine Tabelle, in der der Wert des ersten Aus­ gangsspannungssignals in Abhängigkeit von der Frequenz des Frequenzsignals bei einer erfin­ dungsgemäßen Beschaltung gemäß Fig. 2 (Spalten 2 und 3) und bei einer Beschaltung gemäß dem Stand der Technik (Spalten 4 und 5) dargestellt ist.

Gemäß Fig. 1 enthält die Schaltungsanordnung einen Schalt­ kreis 2 mit einem Eingang 4 für ein Frequenzsignal F sowie einen ersten Ausgang 6 und einen zweiten Ausgang 8 für ein erstes Ausgangsspannungssignal UA1 bzw. ein zweites Ausgangs­ spannungssignal UA2.

Bei dem Schaltkreis 2 handelt es sich um eine monostabile Kippschaltung, die aus dem Frequenzsignal F bei jeder positi­ ven oder negativen Flanke am ersten und zweiten Ausgang 6, 8 kurze rechteckförmige Spannungsimpulse oder Rechteckimpulse 9 erzeugt, aus denen sich die Ausgangsspannungssignale UA1 bzw. UA2 zusammensetzen. Die Impulsbreite T0 dieser Span­ nungsimpulse wird im Ausführungsbeispiel durch ein externes Schaltglied 10 bestimmt, das an einen Steuereingang 12 des Schaltkreises 2 angeschlossen ist.

Der Figur ist zu entnehmen, daß das erste Ausgangsspannungs­ signal UA1 aus einer Folge von kurzen Rechteckimpulsen zusam­ mengesetzt ist, deren zeitlicher Abstand mit der Periode T des Frequenzsignals F übereinstimmt. Das zweite Ausgangsspan­ nungssignal UA2 ist zum ersten Ausgangsspannungssignal UA1 invertiert, und ist somit ebenfalls aus einer Folge von kur­ zen Rechteckimpulsen entgegengesetzten Vorzeichens zusammen­ gesetzt, deren zeitlicher Abstand ebenfalls der Periode T entspricht.

Dem ersten Ausgang 6 ist ein erstes Tiefpaßfilter 16 und dem zweiten Ausgang 8 ist ein zweites Tiefpaßfilter 18 nachge­ schaltet, dessen jeweilige Grenzfrequenzen f_g1 bzw. f_g2 sehr viel kleiner als die Frequenz f = 1/T des Frequenzsignals F sind. Am Ausgang des ersten Tiefpaßfilters 16 steht somit ein erstes Gleichspannungssignal UG1 an, dessen Wert von der An­ zahl der Rechteckimpulse der ersten Ausgangsspannung UA1 pro Zeiteinheit und deren Impulsbreite T0 abhängt. Ebenso steht am Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters 18 ein zweites Gleich­ spannungssignal UG2 an, dessen Wert ebenfalls von der Anzahl der Rechteckimpulse des zweiten Ausgangsspannungssignals UA2 pro Zeiteinheit und deren Impulsbreite T0 abhängt.

Im Ausführungsbeispiel ist das zweite Ausgangsspannungs­ signal UA2 durch Invertierung des ersten Ausgangsspannungs­ signals UA1 durch eine intern im Schaltkreis 2 angeordnete Inverterstufe 20 erzeugt. Der erste Ausgang 6 und der zweite Ausgang 8 des Schaltkreises 2 werden in diesem Fall auch als Q- bzw. Q-Ausgang bezeichnet. Alternativ kann auch eine am Ausgang 6 angeschlossene externe Inverterstufe vorgesehen sein.

Der Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters 18 ist über das die Impulsbreite T0 bestimmende Schaltglied 10 an den Steuereingang 12 des Schaltkreises 2 angeschlossen und beeinflußt den am Steuereingang 12 anliegenden und die Impulsbreite T0 be­ stimmenden mittleren Spannungspegel US.

Ist nun beispielsweise der Wert des ersten Gleichspannungs­ signals UG1 bei zunehmender Frequenz f bei nicht an das Schaltglied angeschlossenem zweiten Tiefpaßfilter 18, d. h. ohne Kompensation, kleiner als der sich bei exakter Lineari­ tät ergebende Idealwert, so wird mit Hilfe des zweiten Gleichspannungssignals UG2 der Spannungspegel US derart be­ einflußt, daß die Impulsbreite T0 geringfügig zunimmt, um den Linearitätsfehler zu kompensieren.

Bei einer Abweichung von der Linearität mit einem anderen Vorzeichen wird entsprechend die Impulsbreite T0 reduziert.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Beschaltung für ein CMOS-Standard-Monoflop Typ 4528 der Firma Philips wieder­ gegeben. Das erste Tiefpaßfilter 16 besteht aus einem RC- Glied mit einem Widerstand R1 = 30 kΩ sowie einer Kapazität C1 von 0,1 µF. Das zweite Tiefpaßfilter 18 besteht ebenfalls aus einem RC-Glied, dessen Widerstand R2 gleich dem Wider­ stand R1 und dessen Kapazität C2 gleich der Kapazität C1 des ersten Tiefpaßfilters 16 ist. Der Ausgang des zweites Tief­ paßfilters 18 ist über einen Rückkopplungswiderstand R3, im Ausführungsbeispiel 680 kΩ an den die Impulsbreite T0 be­ stimmenden Steuereingang 12 (der sogenannte RC-Eingang) des Schaltkreises 2 angeschlossen. Das externe Schaltglied 10 be­ steht ebenfalls aus einem RC-Glied, dessen Widerstand R0 10 kΩ und dessen Kapazität C0 220 pF beträgt.

Die mit dem RC-Glied R0 und C0 des Schaltglieds 10 einge­ stellte Impulsbreite T0 des ersten bzw. zweiten Ausgangsspan­ nungssignals UA1 bzw. UA2 beträgt dann etwa 1,9 µs. Bei die­ ser Beschaltung können somit Frequenzen f des Frequenzsignals bis ca. 520 kHz verarbeitet werden.

Der Schaltkreis 2 ist außerdem mit weiteren nicht näher be­ zeichneten Eingängen an eine Versorgungsspannung UB = 5 V so­ wie an Masse angeschlossen.

Der Wert des am Ausgang zweiten Tiefpaßfilters 18 anstehenden zweiten Gleichspannungssignals UG2 beträgt UB - UG1 und ist somit gegenläufig zum Wert des ersten Gleichspannungs­ signals UG1. Dadurch wird der Spannungspegel US am Steuerein­ gang 12 geringfügig reduziert. Dies führt bei der IC-Familie des Ausführungsbeispiels zu einer Erhöhung der Impuls­ breite T0, so daß der Wert des ersten Gleichspannungs­ signals UG1 etwas höher ist, als er es ohne Rückkopplung des zweiten Gleichspannungssignals UG2 wäre. Die Rückkopplung ist dabei durch geeignete Dimensionierung des Rückkopplungswider­ standes R3 an das jeweils verwendete Monoflop anzupassen.

Für den Fall, daß bei einer anderen IC-Familie das mittlere Potential am Steuereingang auf die Impulsbreite T0 einen ge­ genläufigen Einfluß zeigt oder das Gleichspannungssignal UG1 überproportional zur Frequenz f ausfallen sollte, ist das zweite Tiefpaßfilter 18 ebenfalls am ersten Ausgang 6 anzu­ schließen und der Rückkopplungswiderstand R3 entsprechend zu dimensionieren.

In der Tabelle gemäß Fig. 3 ist für unterschiedliche Fre­ quenzen f des Frequenzsignals F, der auf eine Frequenz von 100 kHz normierte Wert des Ausgangsspannungsignals UA1 für die Beschaltung gemäß Fig. 2 und für eine Beschaltung ohne zweites Tiefpaßfilter 18 und ohne Rückkopplungswiderstand R3 zum Vergleich mit den zugehörigen prozentualen Linearitäts­ fehlern dargestellt. Dieser Tabelle ist zu entnehmen, daß der maximale Linearitätsfehler bei einer Beschaltung gemäß dem Stand der Technik -1,84% beträgt und sich durch die erfin­ dungsgemäße Beschaltung mit minimalen Aufwand auf etwa -0,06% verringern läßt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Umwandeln eines Frequenzsignals (F) in eine Gleichspannung, bei dem aus dem Frequenzsignal (F) in einem Schaltkreis (2) ein erstes und ein zweites Ausgangsspannungs­ signal (UA1, UA2) erzeugt werden, die jeweils aus einer Folge von Rechteckimpulsen (9) bestehen, deren Impulsfolgefrequenz gleich der Frequenz f des Frequenzsignals (F) ist, wobei
entweder das erste Ausgangsspannungssignal (UA1) mit einem ersten und einem zweiten Tiefpaßfilter (16, 18) in ein erstes bzw. ein zweites Gleichspannungssignal umgewandelt wird
oder das erste und das zweite Ausgangsspannungssignal (UA1 bzw. UA2) mit einem ersten bzw. einem zweiten Tiefpaßfil­ ter (16, 18) in ein erstes bzw. ein zweites Gleichspan­ nungssignal (UG1 bzw. UG2) umgewandelt werden,
wobei das zweite Gleichspannungssignal (UG2) an einen die Impulsbreite (T0) bestimmenden Steuereingang (12) des Schaltkreises (2) zurückgekoppelt wird und so die Impuls­ breite (T0) der Rechteckimpulse (9) des ersten Ausgangs­ spannungssignals (UA1) beeinflußt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit dem zweiten Gleichspannungssignal (UG2) die Impulsbreite (T0) der Recht­ eckimpulse (9) des zweiten Ausgangsspannungssignals (UA2) beeinflußt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das zweite Aus­ gangsspannungssignal (UA2) durch Invertierung des ersten Aus­ gangsspannungssignals (UA1) erzeugt wird.

4. Schaltungsanordnung zum Umwandeln eines Frequenzsignals (F) in eine Gleichspannung, mit einem Schaltkreis (2) zum Er­ zeugen eines ersten und zweiten Ausgangsspannungssignals (UA1, UA2) aus dem Frequenzsignal (F), die jeweils aus einer Folge von Rechteckimpulsen (9) bestehen, deren Impulsfolge­ frequenz gleich der Frequenz f des Frequenzsignals (F) ist, einem ersten und zweiten Tiefpaßfilter (16, 18)
entweder zum Umwandeln des ersten bzw. zweiten Ausgangs­ spannungssignals (UA1, UA2) in ein erstes Gleichspannungs­ signal (UG1) bzw. ein zweites Gleichspannungssignal (UG2)
oder zum Umwandeln des ersten Ausgangssignals (UA1) in ein erstes bzw. zweites Gleichspannungssignal (UG1 bzw. UG2),
wobei das zweite Gleichspannungssignal (UG2) des zweiten Tiefpaßfilters (18) zur Beeinflussung der Impulsbreite (T0) der Rechteckimpulse (9) des ersten Ausgangsspannungssignals (UA1) an einen diese Impulsbreite (T0) bestimmenden Steuereingang (12) des Schaltkreises (2) zurückgekoppelt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der das zweite Ausgangsspannungssignal (UA2) zum ersten Ausgangsspannungs­ signal (UA1) invertiert ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei der als Schaltkreis (2) eine monostabile Kippschaltung vorgesehen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei der als Schalt­ kreis (2) eine monostabile Kippschaltung vorgesehen ist, die einen ersten Ausgang für das erste Ausgangsspannungssignal und einen zweiten Ausgang für das zweite Ausgangsspannungs­ signal hat.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei der der Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters über einen ohmschen Rück­ kopplungswiderstand an den Steuereingang der monostabilen Kippschaltung angeschlossen ist.