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Patent Searching and Data


Title:
PROCESS AND DEVICE FOR VOLTAGE-FREQUENCY CONVERSION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1990/011646
Kind Code:
A1
Abstract:
A process and device for voltage-frequency conversion are useful for obtaining, by simple means, a rapid, high-precision voltage-frequency convertor with a large frequency sweep. To this end, the dicontinuous output signal of an integrated voltage-controlled oscillator (VCO) is reconverted to a direct current voltage and compared with the input voltage (UE) and the result of the comparison is used to regulate the integrated voltage-controlled oscillator (VCO).

Inventors:
Hartwig, Hagen
Application Number:
PCT/DE1990/000201
Publication Date:
October 04, 1990
Filing Date:
March 16, 1990
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT HARTWIG, Hagen.
International Classes:
G01R19/252; H03K7/06; (IPC1-7): G01R19/252; H03K7/06
Foreign References:
US3260943A
US3327229A
DE3037174A1
US3094629A
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur SpannungsFrequenzWandluπg nach folgenden Ver¬ fahrensschritten: a) Ein integrierender, spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) wird mit einer Eingangsspannung (UE) beaufschlagt, die über eine Pegelanpaßschaltung (V) führbar ist, b) die Eiπzelimpulse (P) des Ausgangssignals (Uv) des spannungs¬ gesteuerten Oszillators (VCO) werden in eine Impulsfolge mit konstanter Pulsbreite (IPB) gewandelt und anschließend in ihrer Amplitude so geregelt, daß Impulse mit konstantem Flächeninhalt (F) als Präzsisionsimpulse (IPF) erzeugt wer¬ den, c) aus den Präzisionsimpulsen (IPF) wird eine Gleichspannung (UE) gebildet, d) aus der Gleichspannung (U ) und der Eingangsspannung (UE) wird eine Differenzspannung (UdE) gebildet, die dem span¬ nungsgesteuerten Oszillator (VCO) über einen Regler (R.) zur Regelung aufgeschaltet wird.
2. Verfahren 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 Impulse (P) des Ausgangssignals (U ) des integrierenden, spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) in einer Auswertelogik (AL) in einem vorgebbaren Zeitraum mit vorgebbarer Periode gezählt werden.
3. Verfahren 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 zu den Präzisionsimpulsen (IPF) inver¬ tierte Präzisionsimpulse (IPF) erzeugt werden, wobei aus der Summe der Präzisionsimpulse (IPF) und der invertierten Präzi¬ sionsimpulse (IPF) eine Regelgröße gebildet wird, mit der die jeweilige Versorgungsspannung (U_) der Einrichtungen (SC1,SC2, MF) zur Erzeugung der Präzisionsimpulse (IPF, IPF) , so geregelt wird, daß die Flächeninhalte eines jeweiligen Präzisionsi pulses (IPF) und eines jeweiligen invertierten Präzisionsim¬ pulses (IPF) gleich sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n¬ z e i c h n e t , daß die geregelten Präzisionsimpulse (IPF) oder die geregelten invertierten Präzisionsimpulse (IPF) über eine Ubertragungsstrecke übertragen und anschließend in eine Gleichspannung (U) umgewandelt werden.
5. Einrichtung zur SpannungsFrequenzWandlung, bestehend aus a) einem Verstärker (V), der eine Eingangsspannung (UE) ver¬ stärkt und dem ein integrierender, spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) mit umschaltbarem Frequenzbereich nachge¬ schaltet ist, b) einer Einrichtung (IE) zur Erzeugung von Präzisionsimpulsen (IPB) konstanter Pulsbreite, mit einem monostabilen Schalter (MF) der einen nicht inversen und einen inversen Ausgang auf weist, einem Oszillator (OS) und einem Frequenzteiler (TE), wobei der monostabile Schalter (MF) über einen Umschalter (US2) mit dem Oszillator (OS) direkt oder unter Zwischen¬ schaltung des Frequenzteilers (TE) verbunden werden kann und wobei der Eingang der Einrichtung (IE) zur Erzeugung von Präzisionsimpulsen mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) verbunden ist, c) zwei Präzisionsschaltern (SCI, SC2), die an je einem Ausgang des monostabilen Schalters (MF) angeschlossen sind und deren jeweilige Ausgangssignale (IPF,IPF) mit einem Summierer (S) verbunden sind, wobei der Ausgang des Summierers (S) mit einem ersten Tiefpaß (TPl) und dieser mit einem Regler (R) verbunden ist, über dessen Ausgang die Versorgungsspannungen (U_) der. Präzisionsschalter (SCI, SC2) und des monostabilen Schalters (MF) geregelt werden, d) einer Regelstrecke zur Fehlerregelung dl) mit einem zweiten Tiefpaß (TP2), dessen Eingang mit dem Ausgang eines Präzisionsschalters (SCI) verbunden ist und d2) dessen Ausgang auf einen ersten Eingang eines Verglei¬ chers (VG1) führt, wobei ein zweiter Eingang des Verglei chers (VG1) mit der Eingangsspannung (U£) verbunden ist, d3) mit einem Regler (Rj), dessen Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers (VG1) verbunden ist und dessen Ausgang auf den Eingang des integrierenden, spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) führt, e) einer Einrichtung (TR) zur Verstärkung des Ausgangssignals (U ) des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) mit einer anschließenden ersten Ubertragungsstrecke (STl) und einer nachfolgenden Auswerteeinrichtung (AL), f) einer zweiten Ubertragungsstrecke (ST2), die mit dem Ausgang eines Präzisionsschalters (SCI) verbunden ist und an deren Ende ein dritter Tiefpaß (TP3) angeschlossen ist.
Description:
Verfahren und Einrichtung zur Spannungs-Frequenz-Wandlung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Ein¬ richtung zur Spannungs-Frequenz-Wandlung.

Die Wandlung eines kontinuierlichen Signals in ein diskonti¬ nuierliches Signal bringt für eine Reihe von Anwendungen Vor¬ teile mit sich. Deshalb werden Spannungs-Frequenz-Wandler in den verschiedensten Gebieten der Elektrotechnik und Elektronik ver- wendet. Beispielsweise lassen sich bei der Regelung von Elek¬ tromotoren die Strom- bzw. Spannungsistwerte durch Wandlung in eine dem Strom- bzw. Spannungsistwert proportionale Folge von Impulsen leicht in ein digitales Regelungskonzept integrieren.

Zur Einbindung der Spannungs- bzw. Stromistwerterfassung, bei¬ spielsweise in ein Regelungskonzept eines Elektromotors, ist es vorteilhaft, das kontinuierliche Signal am Ort seiner Erfassung zu digitalisieren und beispielsweise in Form von Impulsen unterschiedlicher Impuls-Folgefrequenz zu übertragen. Selbst bei einer analogen Regelung kann es wegen der hohen Störsicherheit von Vorteil sein, zunächst digitale Signale für die Signalüber¬ tragung zu verwenden und diese dann anschließend wieder in ein kontinuierliches Signal zu transformieren.

Wegen der in vielen Anwendungsfällen geforderten Kleinheit der Abmessungen bei äußerst schneller und hochgenauer Digitalisie¬ rung eines Eingangssignals und bei großem Frequenzhub bei mög¬ lichst geringen Kosten kann nicht immer auf herkömmliche, auf dem Markt erhältliche Spannungs-Frequenz-Wandler zurückgegrif- fen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln ein Verfah¬ ren und eine Einrichtung zur Spannuπgs-Frequenz-Wandlung bei großem Frequenzhub zu realisieren.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Spannungs-Frequenz- Wandlung nach folgenden Verfahrensschritten gelöst: a) Ein integrierender, spannungsgesteuerter Oszillator wird mit einer Eingangsspaπnung beaufschlagt, die über eine Pegelan- paßschaltung führbar ist, b) die Einzelimpulse des Ausgangssignals des spannungsgesteuer¬ ten Oszillators werden in eine Impulsfolge mit konstanter Pulsbreite gewandelt und anschließend in ihrer Amplitude so geregelt, daß Impulse mit konstantem Flächeninhalt als Prä- zisionsimpulse erzeugt werden, c) aus den Präzisionsimpulsen wird eine Gleichspannung gebildet, d) aus der Gleichspannung und einer Eingangsspannung wird eine Differenzspannung gebildet, die dem spannungsgesteuerten Oszillator über einen Regler zur Regelung aufgeschaltet wird.

Wird das Verfahren zur Spannungs-Frequenz-Wandlung beispiels¬ weise für ein digitales Regelungskonzept verwendet, ist eine Ausbildung der Erfindung vorteilhaft, bei der die Impulse des Ausgangssignals des integrierenden, spannungsgesteuerten Oszillators in einer Auswertelogik in einem vorgebbaren Zeitraum mit vorgebbarer Periode gezählt werden. Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit ist damit direkt proportional zur Eingangsspan¬ nung. Selbstverständlich könnten auch andere Formen der Mittel¬ wertbildung verwendet werden. Diese digitale Auswertung zeichnet sich durch hohe Störsicherheit aus und erlaubt es, die Impulse über eine größere Übertragungsstrecke ohne Einschränkungen der Genauigkeit zu übertragen, da selbst eine "Verschleifung" der Impulse im Verlauf der Übertragung ohne Auswirkungen auf die Genauigkeit des Verfahrens bleibt, solange die Impulse durch die Auswerteeinrichtung noch als solche erkannt werden können.

Bei vielen, auch bereits in Betrieb befindlichen Einrichtungen ist eine digitale Regelung noch nicht vorgesehen. Aber auch für diese Einrichtungen kann das Verfahren zur Spannungs-Frequenz- Wandlung vorteilhaft angewendet werden, wenn nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung zu den Präzisionsimpulsen invertierte

Präzisionsimpulse erzeugt werden, wobei aus der Summe der

Präzisionsimpulse und der invertierten Präzisionsimpulse eine Regelgröße gebildet wird, mit der die jeweilige Versorgungsspaπ- nung der Einrichtungen zur Erzeugung der Präzisionsimpulse so geregelt wird, daß die Flächeninhalte eines jeweiligen Präzi¬ sionsimpulses und eines jeweiligen invertierten Präzisionsim¬ pulses gleich sind. Durch diese Maßnahme werden Abweichungen der Ein- und Ausschaltflanken der Präzisionsimpulse kompen¬ siert und somit die Voraussetzungen für eine genaue analoge Weiterverarbeitung geschaffen.

Die geregelten Präzisionsimpulse oder die geregelten invertier¬ ten Präzisionsimpulse lassen sich ebenfalls über eine Übertra¬ gungsstrecke übertragen und anschließend beispielsweise über einen Tiefpaß zur analogen Weiterverarbeitung in eine Gleich¬ spannung umwandeln.

Sowohl das Verfahren für die digitale Weiterverarbeitung, als auch das Verfahren für die analoge Weiterverarbeitung lassen sich mit einer Einrichtung zur Spannungs-Frequenz-Wandlung durchführen, deren Merkmale den Gegenstand des Anspruchs 5 bilden.

Selbstverständlich läßt sich durch Weglassen der entsprechenden Merkmale jeweils nur eine Einrichtung zur digitalen oder zur analogen Weiterverarbeitung realisieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar¬ gestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen

FIG 1 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Spannungs-

Frequeπz-Waπdlung mit digitaler Signalweiterverarbeituπg, FIG 2 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Spannungs- Frequenz-Wandlung mit analoger Signalweiterverarbeitung, FIG 3 das Blockschaltbild einer Einrichtung mit digitaler und analoger SignalweiterVerarbeitung.

Das Blockschaltbild gemäß FIG 1 besteht aus einem Verstärker V für die Pegelanpassung einer Eingangsspannung UV. Die Aus¬ gangsspannung U EV des Verstärkers V wird auf einen ersten Ein¬ gang eines integrierenden, spaπnungsgesteuerten Oszillators VCO geführt. Wegen der für die Regelung erforderlichen Mittelwert¬ bildung ist eine integrierende Arbeitsweise des spannungsge¬ steuerten Oszillators VCO erforderlich. Der integrierende span¬ nungsgesteuerte Oszillator VCO liefert Einzelimpulse P, deren Häufigkeit proportional zur Höhe der Eiπgangsspannung ist. Als integrierender spannuπgsgesteuerter Oszillator VCO (Voltage

Controlled Oszillator) kann beispielsweise ein emittergekoppel¬ ter Vibrator, der unter der Bezeichnung LS 624 im Handel er¬ hältlich ist, verwendet werden. Ein solcher spannungsgesteuer¬ ter Oszillator VCO zeichnet sich durch einen großen Frequenz- bereich (ca. 2 bis 42 MHz) aus. Jedoch muß für diesen großen Frequeπzhub eine geringere Genauigkeit des Ausgangssignals Uy (Pulspausensignal) in Kauf genommen werden.

Wegen der Ungenauigkeit des spannungsgesteuerten Oszillators wird dessen Ausgangssignal U v über eine Regelstrecke in eine Gleichspannung I zurückgewandelt. Diese Regelstrecke besteht aus einem Oszillator OS, einem monostabilen Schalter MF, einem Schalter SC und einem Tiefpaß TP. Der monostabile Schalter MF ergibt zusammen mit dem Oszillator OS einen monostabilen Präzi- sionsschalter, der zu jedem Impuls P des Ausgangssignals U des spaπnuπgsgesteuerten Oszillators VCO, eine Periode des Oszillators OS herausgreift und an seinem Ausgang einen Präzi¬ sionsimpuls IPB mit konstanter Pulsbreite erzeugt. Der Schalter SC gibt die Präzisionsimpulse IPB mit konstanter Pulsbreite und konstanter Amplitude an seinen Ausgang. Damit sind nun Präzi¬ sionsimpulse IPF mit konstantem Flächeninhalt erzeugt worden. Über den Tiefpaß TP werden die Präzisionsimpulse IPF in eine Gleichspannung UA umgewandelt. Diese Gleichspannung IU wird am Vergleicher VG1 von der Eingangsspannung U E subtrahiert und die Differenzspannung U dE wird über einen Regler R-. dem spannungs¬ gesteuerten Oszillator VCO als Regelgröße aufgeschaltet. Am

Ausgang des VCO entsteht ein geregeltes Ausgangssignal U v als Impulsfolgesignal in Form von Eiπzelimpulsen P, deren Häufig¬ keit proportional zur Höhe der Eiπgangsspannung U F ist. Dieses Ausgangssignal U v kann nun über eine Treiberstufe TR und eine Übertragungsstrecke ST an eine Auswertelogik AL gegeben werden, in der eine der Eingangsspannung U E proportionale Größe für die weitere Verarbeitung gebildet wird. Die weitere Verarbeitung der Impulsfolgefrequenz kann dabei variieren in Bezug auf die Wahl der Abtastzeitpunkte und verschiedene Arten der Mittel- wertbildung.

Für die digitale Weiterverarbeitung kann die Auswertelogik AL beispielsweise einen Zähler Z beinhalten, der die Impulse P des Ausgangssignals U des spaπnuπgsgesteuerten Oszillators VCO in einem bestimmten Zeitintervall zählt. Für die Auswertung ist es besonders vorteilhaft, die Impulse in einem vorgegebenen Zeit¬ intervall zu zählen und diese Zählung in einem kürzeren Zeit¬ intervall periodisch zu wiederholen. Diese Auswertung kann als "gleitendes Fenster" bezeichnet werden. Beispielsweise könnten die Anzahl der Impulse P während eines Zeitraums von T = 100 sec. gezählt werden, wobei die Zählung jeweils periodisch im Abstand von 5 msec. durchgeführt wird.

Die Übertragung einer hohen Pulsfolgefrequenz (beispielsweise 40 MHz) über die Treiberstufe TR und die Ubertragungsstrecke ST an die Auswertelogik AL, ist für die digitale Auswertung unkri¬ tisch, da an die Impulsform der Impulse P nur geringe Ansprüche gestellt werden, so daß die Qualität des Verfahrens durch eine "Verschleifung" der Impulse P nicht beeinträchtigt wird, so- lange die Impulse P von der Auswertelogik AL gerade noch er¬ kannt werden können. Falls tatsächlich ein Impuls P nicht mehr erkannt werden sollte, entsteht kein bleibender Fehler, da lediglich die Genauigkeit einer Zählung während einer Zeitein¬ heit beeinflußt wird. Das Verfahren weist demnach eine hohe Störsicherheit auf.

FIG 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Span¬ nungs-Frequenz-Wandlung mit ' analoger Auswertung. Der Verstär¬ ker V, der integrierende spannungsgesteuerte Oszillator VCO sind bereits anhand der FIG 1 beschrieben worden. Auch der Regelkreis zur Regelung des spannungsgesteuerten Oszillators VCO, der aus dem Oszillator OS, dem monostabilen Schalter MF, einem weiteren Schalter SCI, einem Tiefpaß TP2, einem Vergleicher VG1 und einem Regler R-. besteht, ist bereits oben beschrieben und unterscheidet sich in seiner Wirkungsweise nicht von der be- reits anhand der FIG 1 beschriebenen Wirkungsweise.

Im Gegensatz zu dem Verfahren, das mit der Einrichtung, die dem Blockschaltbild gemäß FIG 1 zugrundeliegt, durchgeführt wer¬ den kann, soll jetzt das diskontinuierliche Signal über die Ubertragungsstrecke ST2 übertragen und anschließend analog wei¬ terverarbeitet werden. Für die analoge Weiterverarbeitung wer¬ den aber hohe Anforderungen an die Qualität der Impulse P, ins¬ besondere an deren Ein- und Ausschaltflanken, gestellt. Die Konstanz der Spannungszeitflächen des Pulspausensignals U v muß selbst bei hohen Impulsfolgefrequenzen noch gewährleistet sein. Die Impulsflanken müssen bei der analogen Auswertung eine Ge¬ nauigkeit von 1 "/.<. aufweisen. Deshalb muß das Ausgangssignal U y des spannungsgesteuerten Oszillators VCO aufbereitet werden.

Zu diesem Zweck ist der monostabile Schalter MF zusätzlich mit einem invertierten Ausgang versehen. Dieser invertierte Ausgang ist in FIG 2 durch einen Kreis angedeutet. Das nichtinver¬ tierte Ausgangssignal und das invertierte Ausgangssignal des monostabilen Schalters MF wird jeweils auf einen Präzisions- Schalter SCI bzw. SC2 geführt. Am Ausgang des Schalters SC2 entsteht das Signal der Präzisionsimpulse IPF mit konstantem Flächeninhalt und am Ausgang des Schalters SCI entsteht das zum Ausgang des Schalters SC2 invertierte Signal. Das invertierte und das nichtinvertierte Signal werden am Summierer S addiert und das Additionsergebnis wird über einen Tiefpaß TPl und über einen Regler R, der ein I-Regler sein kann, zur Regelung einer

Versorgungsspannung - im gezeigten Fall der negativen Versor¬ gungsspannung U_ - der Schalter SCI und SC2 gegeben. Dadurch werden die Schalter SCI und SC2 so geregelt, daß der Flächen¬ inhalt eines jeweiligen positiven und negativen (invertierten) Präzisioπsimpulses IPF, IPF gleich groß ist. Somit werden Ab¬ weichungen der Ein- und Ausschaltflanken der Präzisionsimpulse IPF, IPF kompensiert. Das so geregelte Signal der Präzisionsim¬ pulse IPF kann dann über die Ubertragungsstrecke ST auf den Tiefpaß TP3 gegeben werden, der das Signal für eine analoge Weiterverarbeitung als Gleichspannung U an seinem Ausgang zur Verfügung stellt.

Sollte das Signal der Präzisionsimpulse IPF, IPF den Genauig¬ keitsanforderungen für eine analoge Weiterverarbeitung noch nicht genügen, so muß der spannungsgesteuerte Oszillator VCO sowie der Oszillator OS mit reduzierter Frequenz, verglichen mit dem Verfahren mit digitaler Auswertung, betrieben werden.

Das Blockschaltbild gemäß FIG 3 zeigt eine Einrichtung zur Spannungs-Frequenz-Wandlung mit wahlweiser digitaler oder ana¬ loger Weiterverarbeitung. Dieses Blockschaltbild ist im wesent¬ lichen eine Zusammenfassung der bereits aus FIG 1 und 2 be¬ kannten Einrichtungen. Für die digitale Weiterverarbeitung wird das Ausgangssignal U des spannungsgesteuerten Oszillators VCO direkt über den Treiber TR und die Ubertragungsstrecke STl auf die Auswertelogik AL geführt. Die analoge Weiterverarbeitung des Ausgangssignals U des spannungsgesteuerten Oszillators VCO entspricht genau der in FIG 2 beschriebenen.

Die wahlweise digitale oder analoge Weiterverarbeitung erfor¬ dert jedoch zwei zusätzliche Maßnahmen, die anhand des Block¬ schaltbildes der FIG 3 beschrieben werden. Zum einen weist der spannungsgesteuerte Oszillator zwei Kapazitäten auf, die über einen Schalter US1 oder einen Stecker, etc. parallel geschaltet werden können. Zum anderen ist über einen zweiten Schalter US2 die Möglichkeit gegeben, die direkte Verbindung des monostabi-

len Schalters MF mit dem Oszillator OS aufzutrennen und den monostabilen Schalter MF mittelbar über den Frequenzteiler TE mit dem Oszillator OS zu verbinden. Durch diese Umschaltmög¬ lichkeiten kann für die analoge Weiterverarbeitung die Frequenz des Quarzoszillators OS heruntergeteilt werden und der span¬ nungsgesteuerte Oszillator VCO in einen niedrigeren Bereich geschaltet werden.




 
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