DE2740771B2

DE2740771B2 - Schaltungsanordnung zur Bildung eines drehzahlproportionalen Ausgangssignals aus einer Impulsfolge mit drehzahlproportionaler Frequenz

Info

Publication number: DE2740771B2
Application number: DE2740771A
Authority: DE
Inventors: Karl 8500 Nürnberg Schalk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-09
Filing date: 1977-09-09
Publication date: 1981-07-09
Also published as: DE2740771C3; DE2740771A1; JPS5454083A; US4266147A

Description

Die Erfindung belnllt eine Schaltungsanordnung zur Iiildung eines drehzahlproportionaleii Aiisgangssigiuils aus einer Impulsfolge mit drehzahlproportionaler Frequenz mit Hilfe eines Funktionsgebers, der die Impulsbreite I₁, der Impulse der Impulsfolge durch Iiildung einer Funktion I/'/,,verarbeitet.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DIi-OS 2JJbOl¹S bekannt, flierbei wird mit geringer Ansprechzeit eine Impulsfolge mit drenzah'proportio naler Frequenz in eine liinärzahl umgesetzt. Die bekannte Schaltungsanordnung macht von dem Grundgedanken Gebrauch, die gewünschte Proportionalität von Frequenz und einem Zählersland über den hyperbolischen Ziisamemenhang von Frequenz und Impulsbreite beziehungsweise Periodendauer zu erhalten. Dabei zählt ein Rückwärtszähler mit einem hyperbelförmigen /ählerstandsverlauf über der Zeit abwärts, wobei der hypcrbelförmige Verlauf durch einen Polygon/ug angenähert wird, indem der Zählerstand mit zusätzlichen Taktimpulscn einer Dekodierstufe für die Zahlgeschwindigkeit ztiführbar ist, deren Ausgangssignal als Miiltiplikationsfaktor einer Eingangsfrequenz eines Multiplizierers dient. Der Ausgang iles Multiplizieren ist mit dem Zähleingang des Rückwärtszählers verbunden. Diese Schaltungsanordnung arbeitet auf Digitalbasis und macht einen erheblichen schaltungsiechnischen Aufwand erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine mit geringem schallungstechnischen Aufwand herstellbare Analogschaltung als Ausgangssignal eine drehzahlproportionale Ausgangsgleichspannung zur Verfügung stellt.

Die Aufgabe wird erlindiingsgemiiß dadurch gelöst. daß die Funktion Mi₁, dun h Überlagerung mehrerer, durch WC-Glieder gebildeter Exponentialfunktionen mit

unterschiedlichen Zeitkonslanten nachgebildet ist, wobei der Ladezustand der Kondensatoren der RC-GWeder in Abhängigkeit von der Impulsbreite t_p der Impulsfolge veränderbar ist. Damit läßt sich eine pulsationsfreie Ausgangsgleichspannung erreichen. Es hat sich gezeigt, daß eine hinreichende Genauigkeit bereits durch Überlagerung dreier Exponentialfunktionen erzielbar ist

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den F i g. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

Γ i g. 1 ein Blockschaltbild,

Fig. 2die Funktion l/r_r

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung mit Funklionsgeber, zwischen Speicherund Invertei und

Fig.4 die Signalt für die Abtastung der Impulsbreite

'/-In Fig. 1 ist allgemein mit I eine Einrichtung zur

Erzeugung einer lirehzahlproportionalen Impulsfolge bezeichnet. Diese kann an sich beliebig gestaltet sein und nach dem magnetischen, induktiven, galvanomagnetisch!:., oder optischen Prinzip arbeiten. Bei dem in I i g. 1 dargestellten Ausfühningsbeispiel findet ein g.ilvanomagnetisches Abtastsystem Verwendung, wobei mit 2 eine Magnetscheibe bezeichnet ist. die an ihrem Umfang magnetisierte /ahne oder ein.· diesen entsprechende Magnetisierung aufweist. Die Magnetisierung ist dergestalt, daß Nord- und Siidpole in abwechselnder Folge aufgebracht sind. Die Magnetisierung J beeinflußt einen llallgencralor 4, dem ein Verstärker 5 naclig'jschallet ist, so daß am Ausgang dieses Verstärkers Kechteckimpulse S" I erscheinen, wobei bei dem gewählten \usführungsbeispiel die Impulsbreite (Impulsdauer) /,. die Hreite einer Impulspause aufweist. Diese Inipulse S1 weiden einem Funktionsgeber 6 zugeführt, der am Ausgang eine Spannung Il I abgibt, die proportional Mt,, ist. In einem dem Funklionsgeber 6 nachgeschalieten Zwischenspei-Lher 7 werden die vom Funktionsgeber b abgegebenen, der Impulsbreite I₁, umgekehrt proportionalen Spanniingsimpulsc gespeichert und stehen am Ausgang 8 als Spannung (72 zur Verfugung. Diese ist proportional dem Betrag der Drehzahl.

Um jedoch auch die Drehi κ-htung feststellen /u können, ist der Magnetscheibe 2 ein /weiter 1 lallgeneralor 9 zugeordnet, der gegenüber dem Hallgenerator 4 um 90" elektrisrh versetzt angeordnet ist. Über einen Verstärker 10 weiden die vom I lallgeneraior 9 abgegebenen Impulse in gleicher Weise wie zuvor in Signalimpulse 52 umgewandelt, die gegenüber den Impulsen .Sl in der Phase um 90 verset/t sind. Mit 11 ist eine Einrichtung zur Drehrichtiingserkennung angedeutet, die an sich bekannt ist und daher auch nicht näher beschrieben zu werden braucht. Beispielhaft wird auf die DE-AS 11 66 827 verwiesen. Die Drehriehtungserkennungseinrichtung Il beeinflußt einen Inverter 12. der über eine Leitung ! J mit dem Ausgang des Zwischenspeichers 7 in Verbindung steht.

Am Ausgang 14 des Inverters kann eine Spannung UI abgenommen werden, die der Drehzahl proportional ist und deren Polarität lie Drehrichuing der Magnetscheibe 2charakterisiert. I >ie mit 15 bezeichnete l.iiirichtung ist also nur dann erl'ordei Iu h. wenn die drehzahlproportionale Ausgangsspaniiiing auch die Drehrichtung durch eine entsprechende Polarität kennzeichnen soll. Diese zusätzliche Einrichtung 15 ist in Fi g. 1 mit strichpunktierten Linisn umrahmt.

Wie zuvor ausgeführt worden ist, werden die Ausgangsimpulse Sl des Impulsgebers 1 dem Funktionsgeber 6 zugeführt. Die Impulsbreite /,,der Impulse 51 ist der Drehzahl η des mit der Magnetscheibe 2 gekuppelten Antriebs umgekehrt proportional.

t_p ~ Un: η ~ \lt_p ~ U_x

Der Funktionsgeber 6 soll nun so ausgebildet sein, daß er eine Ausgangsspannung i/l liefen, die der Impulsbreite t_n umgekehrt und der Drehzahl η direkt proportional ist. Um also die drehzahlabhängige Ausgangsspannung Ui zu erhalten, muß durch die Impulsbreite r,, dividiert werden. Eine exakte Dividierschaltung elektronisch zu realisieren, ist sehr aufwendig.

Im Ausführungsbeispiel wird die Funktion Mt_n durch Überlagerung mehrerer Exponentialfunktionen unterschiedlicher Zeitkonstante gebildet. Es leuchtet ein, daß diese Funktion um so exakter nachgebildet werden kann, je mehr Exponentialfunktionen verwendet wer den. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Funktion Ii,. bereits durch die Überlagerung von drei Exponential funktionen mit ausreichender Genauigkeit nachgebildet werden kann. In Fig. 2 ist die Funktion Mt₁, dargestellt, wobei in der Abszissenachse die Impulsbreite l_p und in der Oidinalenachse die Spannung i/l aufgetragen ist ί' I ist ja proportional der Drehzahl n.

Wie F i g. 3 zeigt, werden die drei Exponentialfunktionen durch RC'-Glieder 16, 17 und 18 gebildet. Diese drei e Funktionen besiuer unterschiedliche /eitkonstanlcti r I, r 2 und r J. r I wird bestimmt durch die beiden Parallelwiderstände Ri und R 2 und ilen Kondensator (' I, r 2 wird bestimmt durch die beiden Parallelwiderstäiule R 3 und R 4 und Kondensator i'2 und r 3 wird bestimmt durch dir. beiden Parallelwiderstände R 5 und Rf) und Kondensator CI. Während die Widerstände Wl,/? 1 und R 5 die Ladewiderstände bilden und an der positiven Versorgung'spannung liegen, bilden die Widerstände R 2, R 4 und Rd Eingiingswidcrsiändc eines als Summierverstärker beschaltelcii Operationsverstärkers Vl. Sie sind in einem Strom-Si'inmenpunkt 19 miteinander verbunden und stehen mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers VI in Verbin dung. Die WC-Glieder 16, 17 und 18 werden über Gatter (! I, Ci 2 und GJ angesteuert; sie bestimmen, ob die Kondensatoren Cl, Cl und Cl geladen oder einladen werden. Vorzugsweise werden als Gaiter C'MOS-Gatter mit open drain-Ausgängen verwendet, welche den Vorzug haben, daß zusätzliche Sironibegren/ungs widerstände für den Entladestioiii aufgrund ιΚί C MOS-Struktur nicht erforderlich sind

Die Gatter G 1 bis Gi werden über Gaiter G4 und (ι 5 einerseits unmittelbar von den Signalen S 1 als auch mittelbar über eine Zeitstufe Zl angesteuert. Ist kein Signal .Sl vorhanden, so ist der Eingang lies NOK-Gatters G 5 Null, am Ausgang ei;*. heim dann das //-Signal. Da das Gatter (74 eine Umkehrstufe ist. fuhrt der Ausgang dieses Gatters Null-Signal. Null-Signal für die Gatter G I bis G.1 bedeutet, daß der Verbindungspiinkt der WC-Glieder 16 bis 18 auf Nullpotential gelegt ist, so daß die Kondensatoren Cl bis C3 praktisch kurzgeschlossen sind. Der Strom-Summenpunkt 19 liegt dann etwa auf Nullpotential. Erscheint nun ein l-'ingangsimpuls Si am Eingang /:', so erscheint dieses elviifalls am Ausgang des Gatters i/4. so daß die Ciatier G I bis G 3 geöffnet werden, so daß sich die Koi.densaloren Cl bis C3 über the Widerslande Wl, R 3 bzw. W 5 aufladen können. Die !.allezeit wird durch

die Dauer b/.w. Impulsbreite der Eingangs-Imptilse bestimmt Die l.adespannungen der Kondensatoren Ci bis ("3 werden über die Widerstände R 2. R 4 bzw. Rb in Ströme umgewandelt und dem Strom-Summenpunkt 19 am F.ingang des Verstärkers V⁷I zugeführt.

Der invertierende Eingang des Verstärkers V1 ist über einen Widerstand R 9 mit dem negativen Pol d':r Versorgungsspannung Li verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers Vl ist über einen Widerstand RS mit dem Bezugspunkt verbunden. Durch den Widerstand /?9 wird der Strom-Summenpunkt 19 am Verstärker Vl so verschoben, daß die an sich ansteigende Ladespannung der Kondensatoren Cl bis C3 am Ausgang des Verstärkers Vl als zeitlich abnehmende Spannung U\~\li_p erscheint. Diese Ausgangsspannung des Funktionsgebers 6 wird nun in dem nachgeschalleten Zwischenspeicher 7 für jeweils einen Meßzvklus gespeichert. Die Ausgangsspannung ti2 des Zwischenspeichers 7 entspricht dann dem Betrag des Drehzahlmomentanwertes η. Um dies zu bewerkstelligen, ist die Zeitstufe Z1 vorgesehen, die mit der Rückflankc der Eingangsimpulse 51 aktiviert wird. Der Ausgang Q gibt dann einen Impuls 53 ab, wie aus I' i g. 4 zu ersehen ist. Die Impulsdauer wird durch einen Widerstand R W und Kondensator C5 festgelegt. Der Ausgangsimpiils 53 der Zeitstufe Zl schaltet einen I ET-Analog-Schalter G6 kurzzeitig in den leitenden Zustand, so daß ein Kondensator C4 über einen Widerstand R 10 mit einer Zeitkonstante

r 4 = /no C4

auf die Ausgangsspannung U\ von dem Verstärker Vl geladen wird. Im gesperrten Zustand des FET-Analog-Schalters Gb entspricht die Spannung an dem Kondensator C4 dem Momentanwerl der Drehzahl n.

Die Spannung an dem Kondensator C4 wird dem nichlinvertierenden Eingang eines Verstärkers V2 zugeführt, der praktisch als Impedanzwandler arbeitet: am Ausgang des Verstärkers V2 steht die Kondensatorspannung IJ2 des Kondensators C 4 dann niederohmig zur Verfugung. Über die Leitung 8 kann somit die der Drehzahl proportionale Spannung U2 abgenommen werden.

Damit sich die Kondensatoren Cl bis C3 nicht bereits während der Abtastung durch die Impulse 53 entladen, wird über das Gatter G 5 die Impulsbreite der Eingangsimpulsc 51 um die Dauer der Abtastimpulse 53 verlangen. Wie I" ig. 4 zeigt, setzt sich die Meßzeit /.w (Meßimpuls 54) aus der Impulsbreite l_r und der Dauer des Ablaslimpulses 53 zusammen. Während dieser Zeit werden die Kondensatoren Cl bis C3 geladen. In der folgenden Impulslücke werden die Kontli'iisatorcn Cl bis C3 mit Hilfe der Gatter G 1 bis G 3 wieder entladen. Beim nächsten Impuls 51 am Eingang Γ. wiederholen sich die beschriebenen Vorgänge. Der Einfluß der Abtastimpulse S3 auf die Meßgenauigkcii kann auch vernachlässigt werden, da in der Kegel der Abtastimpuls 53 von erheblich kleinerer Dauer ist als der Impuls S 1.

um auch die Drehrichtung zu berücksichtigen, kann mit Hilfe des Inverters 12 die Polarität der Ausgangsspannung des Verstärkers V2 entsprechend der jeweiligen Drehrichtung umgeschaltet werden. Der Inverter 12 weist einen Verstärker V3 auf, dem die Ausgangsspannung 112 des Verstärkers V2 über Leitung 13 und Widerstände R 12 und R 13 an beiden Eingängen zur Verfügung gestellt wird. Der Ausgang des Verstärkers V3 steht über einen Widerstand R 14 gleicher Größe wie die Widerstände R 12 und R 13 mit dem Eingang des invertierenden Eingangs in Verbindung. Der nichtinverlierendc Eingang des Verstärkers V3 kann über einen FET-Analog-Schalter Gl auf Bezugspotential gelegt werden. Die Ansteuerung dieses Schalters erfolgt durch das Signal 52 gemäß Fig. 1. Ist das Signal 52 vorhanden, ist der Schalter G7 nicht durchgcschaltet, so daß an beiden Eingängen des Verstärkers V3 Signal anliegt, so daß das Eingangssignal t/2 an der Leitung 13 unverändert am Ausgang 14 erscheint. Der Verstärker V3 arbeitet nichtinvertierend. Sobald jedoch das Ausgangssignal 52 verschwindet, schließt der Schalter G 7 und legt den nichtinvertierenden Eingang auf Bezugspotential. In diesem Falle arbeitet der Verstärker V3 invertierend, so daß am Ausgang 14 des Verstärkers V3 das inverse Signal entsteht. Da die Verstärkung in beiden Fällen V=I ist, ist das Ausgangssigna: L»3 in beiden Fällen gleich proportional der Drehzahl n. wobei jedoch durch die Polarität der Spannung UZ die Drehrichtung bestimmt ist. Die Polarität der Ausgangsspannung des Verstärkers V3 wird also durch das Signal 52 festgelegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Bildung eines drehzahlproportionalen Ausgangssignals aus einer Impulsfolge mit drehzahlproportionaler Frequenz mit Hilfe eines Funktionsgebers, der die Impulsbreite I_n der Impulse der Impulsfolge durch Iiildung einer Funktion Mt₁, verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion Mi₁,durch Überlagerung mehrerer, durch WC-Glieder (lh bis 18) gebildeter Exponentialfunktionen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten (r 1, r 2, r 3) nachgebildet ist, wobei der Ladezustand der Kondensatoren (Cl bis Ci) der WC-Glieder (16 bis 18) in Abhängigkeit von der Impulsbreite /,, der Impulsfolge (S I) veränderbar ist.

2. Schallungsanordnung nach Anspruch I, Jadurch gekennzeichnet, daß der Ladezustand dei Kondensatoren (C I bis C 3) der WC-Glieder (Ib bis 18) über Caller (G 1 bis Gi) beeinflußt wird, die von den Impulsen (S I) der Impulsfolge ansteuei bar sind.

J. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gatter ((V I bis (/' I) C MC)S-Gatter mit open-drain-Ausgangeii verwendet sind, die den Kondensatoren (C I bis ( I) de.' an einer konstanten Spannung liegenden Kl 'Glieder (16 bis 18) parallel geschaltet sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem .kr Ansprüche 1 bis !. dadurch gekennzeichnet, daß die l.adcspannung der Kondensatoren (( I bis C J) der /{('-Glieder (16 bis 18) um Hilfe von Widerstanden (W 2, W 4, Hb) in Ströme umgewandelt wird und diese gemeinsam dem invertierenden Eingang eines Verstärkers (Vl) zugelührt werden, wobei der Strom-Sunimenpunkt (19) am Eingang des Verstärkers (Vl) clinch einen am negativen l'ntential liegenden Widerstand (W')) so verschoben wird, daß die an sich ansteigende l.adespannung der Kondensatoren (C I bis C 5) der WC Glieder (lh bis 18) am Ausgang iles Verstärkers als zeitlich .ilniehmcndc Spannung erscheint.

^r). Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Funktionsgeber (6) ein Zwischenspeicher (7) nachgeschaltet ist. der nach jeder Impulsbrcitcmnessung die am Ausgang des Verstärkers (Vl) abgebildete dreh/ahlpropoi tiiMiale Spannung((/1) speichert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch ">, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (7) aus einem Kondensator (C4) besteht, der über einen vorzugsweise kontaktlosen Schalter (G6) kurzzeitig über einen Widerstand (W 10) mit dem Ausgang des Verstärkers (Vl) des Ftinktionsgebers (6) verbindbar ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des kontakllosen Schalters (G 6) von einem Zeilglied (/ I) ei folgt, das von der Riickflanke eines Impulses (.V I) der Impulsfolge angestoßen wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Zeitglied (21) gelieferte Abftageimpuls (Si) klein gegenüber der lirei'.e(Dauer)der Impulse(.S' 1)der Impulsfolge ist.

¹J. Schaltungsanordnung nach Anspiueh 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der den Ladezustand der Kondensatoren (Cl bis C J) der WC-Glieder (16 bis 18) beeinflussenden Gatter (G 1 bis G3) durch einen Impulszug (S4) erfolgt, bei dem die Breite (Dauer) des Impulses (S l)der Impulsfoli e um die Breite des Abfrageimpulses (S3) vergrößert ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (C4) des Zwischenspeichers (7) ein als Impedanzwandler geschalteter Verstärker (V2) nachgeschaltet ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü ehe 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (13) des Zwischenspeichers (7) mit einem Inverter (12) in Verbindung steht, an dessen Ausgang ein von der Größe und der Drehrichtung abhängiges Signal (Ll 3) abnehmbar ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Inverter (12) einen Operationsverstärker (Vi) in Verstärkerschaltung umfaßt, wobei das Ausgangssignal des Zwischenspeichers (7) parallel über Eingangswiderstände (W 12, W 13) dem invertierenden und dem nichtinverticrcnden Eingang des Operationsverstärkers (V 5) zugeführt ist und wobei der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers (VJ) zur Bildung des invertierten Signals in Abhängigkeit von einem Drehrichtungssignal (S2) über einen Schalter (C/ 7) auf liezugspotential legbar ist.