专利名称:电压-频率转换电路的制作方法
本发明涉及一种主要用于电子功率表的电压-频率转换电路。
在电子功率表中配电线路的负载电压和耗电电流通过一个乘法器装置相乘，产生与瞬时功率成正比的电压信号。该电压信号加到一个电压-频率转换电路上，并由该电路产生其频率与该电压信号成正比，即与瞬时功率成正比的矩形波信号。通过一个计数器电路对矩形波信号进行计数以便计算电能，累计电能，并通过一个显示装置显示电能。
为了提高功率表的精度，要求电压-频率转换电路在从几个毫伏到几十伏这样非常宽的电压范围里具有输出频率对输入电压的线性关系。
但是，使用这种电压-频率转换电路时，由于电路元件的工作延迟在高频范围里会产生误差，以致于破坏了线性关系。根据图1中所示的现有技术电压-频率转换电路将对上述内容作详细的说明。
参见图1，数码10和10表示一对输入端。在输入端10和10之间接收如上所述来自乘法器装置的与瞬时功率成正比的输入电压信号。通过输入电路14这个信号转换成一对直流电压信号ep和en，这对直流电压信号的绝对值相等，极性相反。输入电路14包括运算放大器11以及电阻器12和13。数码15表示由一个模拟开关构成的倒相开关电路，数码16表示电阻器。数码17表示一个积分电路，这个积分电路是通过把电容器19接在运算放大器18的负反馈电路里构成的。输出电路20包括运算放大器21以及电阻器22和23，构成滞后比较电路。更准确地说，输出电路20产生矩形波信号a作为其输出信号〔参见图2中的(B)〕，每当如图2(A)中所示积分电路17的输出电压Eo达到预定的上限值+VR或达到预定的下限值-VR时，矩形波信号a就倒相。矩形波信号a还用作引起倒相开关电路15动作的信号。
下面将说明上述电路布置的工作状态。当倒相开关电路15处在图1中所示的工作状态时，直流电压信号eP加到积分电路17的负输入端24上，对电容器19进行充电。于是就进行积分，如图2的(A)中由向右下降直线L2所示，积分电路17的输出电压Eo降低。当输出电压Eo达到预定的下限值-VR时，从滞后比较电路20中产生的矩形波信号a如图2的(B)中所示变成逻辑电平“0”。这个矩形波信号a引起倒相开关电路15动作使其倒相，直流电压信号en加到积分电路17的负输入端24上。因此，电容器19上的电荷就放电。如图2的(A)中由向右上升直线L1所示，积分电路17的输出电压Eo升高。当这个输出电压Eo达到预定的上限值+VR时，从图1中滞后比较电路20中产生的矩形波信号a如图2的(B)中所示变成逻辑电平“1”。这时，通过这个矩形波信号a引起倒相开关电路15动作，使其再倒相回到原来的状态。
当图1中的输入电压信号e较高时，从而得到的图2(A)中的积分电压Eo就具有较陡的倾斜度。因此图2(A)中所示的周期T就变得较短了。因为这个周期T和图2(B)中的矩形波信号a的周期相等，所以理论上矩形波信号a的频率与输入电压信号e的值成正比。
但是，实际上存在着通常所说的电路元件的延迟现象，例如图1中滞后比较电路20的输入端和输出端之间的延迟以及倒相开关电路15的转换时间，以致出现图2(A)中所示的过冲Er和下冲Er。这样积分电压Eo的周期T就变得比真实周期To长4td的时间。因此，在输入电压信号e和矩形波信号a的频率之间的上述正比关系，即线性关系就破坏了。下面将运用数学表达式对上述内容予以说明。
设R3表示电阻器16的电阻，设C表示电容器19的电容，由于过冲所蓄积的电荷量为
Er·C＝ (eP)/(R3) ·td∴Er＝ (eP)/(CR3) ·td…(1)
因此，在一个周期T中电荷量为
(eP)/(R3) ·T＝C·(-4VR-4Er)
＝4C(-VR- (eP)/(CR3) ·td)
∴｜T｜＝｜ (R3)/(eP) ·4C(-VR- (eP)/(CR3) ·td)｜
频率f为
｜f｜＝｜ 1/(T) ｜＝｜<math><mfrac><mrow><mi>eP</mi></mrow><mrow><msub><mi>4CR</mi><mi>3</mi></msub><msub><mi>(-V</mi><mi>R</mi></msub><mi>-</mi><mfrac><mrow><mi>eP</mi></mrow><mrow><msub><mi>cR</mi><mi>3</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>·t</mi><mi>d</mi></msub><mi>)</mi></mrow></mfrac></math>｜…(2)
在td＝0时，即在没有出现过冲的情况下，f＝ (eP)/(4CR3) 关系式成立，频率与输入电压eP(＝e)成正比。但是，在td≠0时，上述的正比关系就不再保持了。
为了克服上述现有技术的缺点作出本发明，其目的是提供一种电压-频率转换电路，这种电压-频率转换电路通过简单的电路布置就能确保输出频率对输入电压的线性关系。
图1是表示一种现有技术电压-频率转换电路的电路图。
图2是用来说明现有技术实例工作状态的信号波形图。
图3是表示根据本发明的一种电压-频率转换电路实施例的电路图。
图4是用来说明该实施例工作状态的信号波形图。
在这些附图中，相同的标记表示相同的部分或对应的部分。
图3中示出了一个根据本发明的电压-频率转换电路的实施例。在图中，输入电路14、倒相开关电路15和积分电路17与图1中的电路相同，所以不再对它们进行说明。本发明的特征在于电阻器40接在倒相开关电路15和构成滞后比较电路的输出电路20之间，构成前馈电路41，该前馈电路与输出电路20中的电阻器22和23一道构成分压电路。更准确地说，前馈电路41由电阻器40构成，该前馈电路接到倒相开关电路15和运算放大器21的正输入端25上，交替地接收直流电压信号en和eP以及交替地接收输出信号±Er，并对信号en、eP和±Er的电压进行分压，这样就可以保持输出频率f对输入电压信号e的线性关系。下面将运用数学表达式对上述内容予以说明。
设R4和R5分别表示电阻器22和23的电阻，设R6表示前馈电路41的电阻器40的电阻，运算放大器21的正输入端25上的电压Vt限定了输出电路20的阈电压，在倒相开关电路15选择直流电压信号eP的情况下，Vt如下式所示
把等式(3)中的Vt代入等式(2)中的-VR
｜f｜＝｜ 1/(T) ｜
＝｜<math><mfrac><mrow><mi>eP</mi></mrow><mrow><msub><mi>4CR</mi><mi>3</mi></msub><mi>(</mi><mfrac><mrow><msub><mi>-R</mi><mi>6</mi></msub><msub><mi>//R</mi><mi>5</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>4</mi></msub><msub><mi>+R</mi><mi>6</mi></msub><msub><mi>//R</mi><mi>5</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>E</mi><mi>s</mi></msub><mi>+</mi><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>5</mi></msub><msub><mi>//R</mi><mi>4</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>6</mi></msub><msub><mi>+R</mi><mi>5</mi></msub><msub><mi>//R</mi><mi>4</mi></msub></mrow></mfrac><mi>eP-</mi><mfrac><mrow><mi>eP</mi></mrow><mrow><msub><mi>CR</mi><mi>3</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>t </mi><mi>d </mi></msub><mi>)</mi></mrow></mfrac></math>｜…(4)
这时，通过选择R4、R5和R6的值使等式 (td)/(CR3) ＝ (R5∥R4)/(R6+R5∥R4) 成立，下式则成立
f＝ 1/(T) ＝<math><mfrac><mrow><mi>eP</mi></mrow><mrow><msub><mi>4CR</mi><mi>3</mi></msub><mi>(</mi><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>6</mi></msub><msub><mi>//R</mi><mi>5</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>4</mi></msub><msub><mi>+R</mi><mi>6</mi></msub><msub><mi>//R</mi><mi>5</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>E</mi><mi>s</mi></msub><mi>)</mi></mrow></mfrac></math>…(5)
输出频率f就能保持与输入电压eP(＝C)成正比。也就是说，两者之间的关系是线性关系。从如图4所示的周期T与真实周期TC相同这个实际情况去理解上述内容是很容易的。
当具有这样良好线性关系的电压-频率转换电路用在一个电子式功率表上时，功率表的精度就会提高。
另一方面，在上述实施例中绝对值相等极性相反的两个电压是在输入电路14中产生出来的。当输入电压满足这些条件时，显然可以省去输入电路14。
如上述所示，在本发明中一个由电阻器构成的，并成为分压电路一部分的前馈电路插接在倒相开关电路和输出电路之间。这样，即使存在电路元件的工作延迟，也能可靠地保持输出频率对输入电压的线性关系。此外，由于前馈电路是由电阻器构成的，这就不会使整个电路变得复杂，还能减少功耗。特别是在该电路中通过倒相开关电路接收到的直流电压信号的电压经过分压再加到积分电路上，构成积分电路的运算放大器其输入失调电压造成的影响是微小的，这是该电路具有的优点，因此可以提供一种高精度的电压-频率转换电路。
权利要求
一种电压-频率转换电路包括
一个接收输入信号产生一对绝对值相等极性相反的直流电压信号的输入电路；
一个在运算放大器负反馈电路中接有电容器的积分电路，在它的一个输入端上通过上述倒相开关电路交替地接收那对直流电压信号，以便把它们积分到预定的上限值和预定的下限值；
一个产生矩形波信号的输出电路，每当上述积分电路的输出信号达到上限值或下限值时，该矩形波信号就倒相；
一个接在上述输出电路的除去接收积分电路输出信号的输入端之外的那个输入端的前馈电路，在来自上述输入电路的信号之中，该前馈电路通过上述倒相开关电路接收与上述输出电路的直流电压信号极性相反的直流电压信号；
以及一个包括上述前馈电路的分压电路，该分压电路对来自上述前馈电路的直流电压信号和上述输出电路的直流电压信号进行合成和分压以便保持输出频率对输入电压的线性关系，然后再把所得到的电压加到上述输出电路上；
由矩形波信号引起动作的上述倒相开关电路。
专利摘要
一可确保输出频率对输入电压的线性关系的电压-频率转换电路包括一接收输入信号产生一对绝对值相等极性相反的直流电压信号的输入电路；一在运算放大器负反馈电路中接有电容器的积分电路，一个产生矩形波信号的输出电路，一个接在输出电路非接收积分电路输出信号输入端的输入端上的前馈电路，以及一个包括前馈电路的分压电路。
文档编号G01R19/252GK85103529SQ85103529
公开日1986年11月5日 申请日期1985年5月6日
发明者户田政义, 浜崎诚一 申请人:三菱电机株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan