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WO1992016050A1 - Voltage-frequency converter - Google Patents

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WO1992016050A1
WO1992016050A1 PCT/DE1992/000106 DE9200106W WO9216050A1 WO 1992016050 A1 WO1992016050 A1 WO 1992016050A1 DE 9200106 W DE9200106 W DE 9200106W WO 9216050 A1 WO9216050 A1 WO 9216050A1
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WO
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voltage
stage
frequency converter
pulse
integrating stage
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Ceased
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PCT/DE1992/000106
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German (de)
French (fr)
Inventor
Winfried Schulz
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/023—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of differential amplifiers or comparators, with internal or external positive feedback
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

A voltage-frequency converter contains a first integrating stage (1), second integrating stage (2), a threshold value device (3) and a pulse generator. The voltage to be converted (Ue?) is applied to the input of the second integrating stage (2). The output of the second integrating stage is connected to an input of the first integrating stage (1). The output signal (12) of the first integrating stage (1) causes the pulse generator (4) to emit a pulse (17) when a threshold value is exceeded. This pulse (17) causes the output signal (12) to be reset, so that the frequency (f) of the emitted pulse (17) forms an output signal proportional to the voltage. The pulses (17) are also fed to the input side of the second integrating stage (2) by negative feedback. Because this analog negative feedback is proportional to the frequency, the voltage-frequency converter of the invention exhibits extremely high linearity which depends only on the constancy of the duration and amplitude of the pulse.

Description

Spannungs/Frequenz-Umsetzer Voltage / frequency converter

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.The invention relates to a voltage-frequency converter with an integrating stage, the input of which can be acted upon by a variable corresponding to the voltage to be converted and the output signal of which is fed to a threshold value device which, when the threshold value is exceeded, causes a pulse generator to emit a pulse which is fed back through feedback the input of the integrating stage causes the output signal to be reset so that the frequency of the pulses emitted is proportional to the voltage to be converted.

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.In such a known ("A / D and D / A converter"; Eckl, Pütgens, Walter, Munich, Franzis-Verlag 1980, pages 11 to 13) voltage / frequency converter is an integration stage of one connected as an integrator Operational amplifier is formed, at the input of which a variable corresponding to the voltage to be converted can be applied. The output of the integrator is routed to a threshold device which acts on a pulse generator. If the integrator's output signals exceed the threshold, the pulse generator emits pulses with a specific, constant duration. The emitted pulses control a current source in such a way that when an impulse occurs, an integrator capacitance is discharged and the output signal of the integrating stage is reset. The number of pulses delivered per unit of time (pulse frequency) is a measure of the voltage to be converted.

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 AnsprechcharakteristikThe linearity of the known voltage / frequency converter is crucially determined by the integration or reset behavior of the integration stage, so that high demands are made on the linearity of the charge or discharge of the integrator capacitance. In addition, the threshold device must have a response characteristic that is as frequency-independent as possible

ERSATZBLATT 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.ER S A T ZBLATT exhibit. Above a frequency of approximately 100 kHz, these conditions can only be met with a high level of circuitry complexity using high-quality, expensive components.

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.The object of the invention is therefore to create a voltage / frequency converter which, with a simple structure, is distinguished by a high linearity, in particular in high frequency ranges.

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.This object is achieved according to the invention in a voltage / frequency converter of the type mentioned at the outset in that the one integrating stage is preceded by a further integrating stage which is acted upon on the input side by the voltage to be converted and in negative feedback by the emitted pulses. The further integration stage preferably has a very high gain. The further integration stage forms an arithmetic mean value, which is proportional to the frequency of the delivered pulses. The output signal of the further integration stage initially rises in accordance with the voltage to be converted until the arithmetic mean corresponds to the voltage to be converted. This output signal then assumes a constant value corresponding to the voltage to be converted. The frequency-proportional analog negative feedback formed in this way advantageously eliminates influences of non-linearities of the one integration stage and an influence of the frequency dependence of the threshold device. The voltage / frequency converter according to the invention can be constructed with commercially available C-MOS components and operational amplifiers and is characterized by a high linearity of approximately 0.02% up to a frequency of 1.2 MHz.

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-A particularly linear behavior of the voltage / frequency converter according to the invention can be achieved according to an advantageous further development of the invention in that the further integration stage has a comparison to the one integer

ERSATZBLATT 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.HE SAT ZBLATT Integration level has at least an order of magnitude longer integration time. The integration time of the further integration stage is preferably 1000 times longer than that of the one integration stage.

Ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Spannungs/Frequenz-Umsetzers läßt sich dadurch erreichen, daß der Impulsgenerator ein monostabiler Vibrator ist.A particularly simple construction of the voltage / frequency converter according to the invention can be achieved in that the pulse generator is a monostable vibrator.

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.A further simplification of the voltage / frequency converter according to the invention is that the threshold device is formed by an input stage of the pulse generator. Commercial pulse generators - for example a monostable vibrator or a bistable multivibrator provided with a time base - have input stages whose input sensitivity is half the operating voltage; this sensitivity represents a suitable threshold.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit einer einzigen Figur näher erläutert.The invention is explained below with reference to a drawing with a single figure.

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 monostabilenThe figure shows a voltage / frequency converter with an integrating stage 1, a further integrating stage 2, a threshold device 3 and a pulse generator 4. The further integrating stage 2 is formed by an operational amplifier 6 connected as an integrator with a capacitance 5. A voltage U to be converted is applied to the non-inverting input of the operational amplifier 6. An output 7 of the further integration stage 2 acts on a non-inverting input 8 of the one integration stage 1, which is likewise formed from an operational amplifier 10 connected with a capacitance 9 as an integrator. An output 11 of the one integrating stage 1 emits an output signal 12 which acts on the threshold value device 3 on the input side. On the output side, the threshold device 3 is connected to the pulse generator 4, which is a monostable

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.REPLACEMENT LEAF Multivibrator is formed. At a starting point 16 of the voltage / frequency converter, pulses 17 of constant pulse width and amplitude emitted and indicated by the pulse generator 4 can be tapped. The frequency f of the pulses 17 is a measure of the voltage U to be converted. The emitted pulses 17 are fed via a feedback line 18 to an inverting input 19 of one integrating stage 1. In addition, the pulses 17 are fed via a negative feedback line 20 to an inverting input 21 of the further integrating stage 2, the pulse height being reduced by means of a voltage divider formed by resistors 22 and 23 in order to increase the input sensitivity of the voltage / frequency converter. The integration time of the further integration stage 2 is 1000 times greater than that of the one integration stage 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 derenAccording to the voltage U to be converted, the voltage occurring at the output 7 of the further integration stage 2 initially increases and acts on the non-inverting input 8 of the one integration stage 1. Reaches it

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.Output signal 12 a predetermined threshold value of the threshold device 3, this triggers the delivery of a pulse 17 by the pulse generator 4. The pulse 17 emitted leads via the feedback line 18 to the rapid discharge of the capacitance 9 and at the same time the pulse 17 is integrated by the capacitor 5 of the further integrating stage 2. After the pulse 17 has ended, the integration process of the one integrating stage 1 begins again until for renewed delivery of a pulse 17 by the pulse generator 4. Finally, the arithmetic mean of the given pulses 17 formed in the further integration stage 2 by integration reaches a value corresponding to the voltage U to be converted, so that the output signal of the further integration stage 2 is at a constant value persists. According to this output signal, the pulses 17 are further formed by the integration stage 1 in cooperation with the Threshold device 3 and the pulse generator 4. This creates a frequency-proportional, analog negative feedback, due to the fluctuations in the linearity when the

Entladung der Kapazität 9 und frequenzabhängige Veränderungen des Schwellwertes der Schwellwerteinrichtung 3 ohne Einfluß auf die am Ausgangspunkt 16 auftretende Frequenz f der ImpulseDischarge of the capacitor 9 and frequency-dependent changes in the threshold value of the threshold device 3 without influencing the frequency f of the pulses occurring at the starting point 16

17 bleiben.Stay 17.

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.Since the pulse generator 4 has a minimum response voltage on the input side, after which an output pulse 17 is only generated after it has been exceeded, the threshold device 3 can be omitted and the output signal 12 can be fed directly to the input of the pulse generator 4. In this case, the threshold value is determined by the input sensitivity of the I pulse generator 4.

ERSATZBLATT REPLACEMENT LEAF

Claims

Patentansprüche Claims 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 die1. Voltage / frequency converter with an integrating stage (1), the input (8) of which a variable corresponding to the voltage (U) to be converted can be applied and whose output signal (12) is routed to a threshold device (3), which at Threshold exceeding causes a pulse generator (4) to emit a pulse (17) which, by feedback to the input (19) of the integrating stage (1), causes the output signal (12) to be reset so that the Frequenz (f) der abgegebenen Impulse (17) der umzusetzendenFrequency (f) of the delivered pulses (17) of the to be implemented 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.Voltage (U) is proportional, so that one integrating stage (1) is preceded by another integrating stage (2) which is supplied with the voltage (U) to be converted and the negative feedback with the given pulses (17). 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.2. Voltage / frequency converter according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the further integration stage (2) has at least an order of magnitude longer integration time compared to the one integration stage (1). 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.3. Voltage / frequency converter according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the pulse generator (4) is a monostable vibrator. 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 des4. Voltage / frequency converter according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the threshold device (3) from an input stage of Impulsgenerators (4) gebildet ist.Pulse generator (4) is formed. ERSATZBLATT REPLACEMENT LEAF
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