DE1282684B - Circuit arrangement for a comparator for converting an analog signal into a digital signal - Google Patents

Description

Schaltungsanordnung für einen Vergleicher zur Umwandlung eines Analogsignals in ein Digitalsignal Schaltungsanordnungen, die der Umwandlung eines Analogsignals in ein Signal von digitaler Form dienen, benötigen meist einen Vergleicher. Dies gilt vor allem für Analog-Digital-Umsetzer, die nach dem bekannten Abwägeprinzip arbeiten und bei denen das Analogsignal mit einem Normsignal verglichen wird. Die Realisierung der Analog-Digital-Umsetzer-Schaltung wird je nach Aufgabenstellung mit verschiedenen Methoden, so z. B. mit der Zählmethode oder Iterationsmethode, gelöst.Circuit arrangement for a comparator for converting an analog signal into a digital signal circuit arrangements which convert an analog signal Serving in a signal in digital form usually require a comparator. this applies above all to analog-to-digital converters that work according to the well-known weighing principle work and in which the analog signal is compared with a standard signal. the Realization of the analog-digital converter circuit depends on the task at hand with different methods, e.g. B. with the counting method or iteration method, solved.

Die an sich aufwandsmäßig einfachste Methode, den Analogwert einem Vergleicher zuzuführen, der eine Gleichstrombrückenschaltung darstellt und durch eine Auswerteschaltung so lange die Normale abtastet, bis der Analogwert mit dem Digitalwert ± einer Bewertungsgröße übereinstimmt, scheitert grundsätzlich an der Notwendigkeit eines Gleichspannungsverstärkers. An der Brückenschaltung lassen sich nur sehr kleine Spannungen abnehmen, vor allem dann, wenn eine feine Unterteilung des Analogwertes angestrebt wird. Die Auswerteschaltung benötigt jedoch eine bestimmte Steuerleistung, so daß die Forderung an die Verstärkung und Stabilität des notwendigen Gleichspannungsverstärkers problematisch wird.The simplest method in terms of effort, the analog value one Supply comparator, which represents a direct current bridge circuit and through an evaluation circuit scans the normal until the analog value matches the Digital value ± corresponds to an evaluation variable, fundamentally fails because of the Need for a DC voltage amplifier. On the bridge circuit you can only very small tensions decrease, especially when there is a fine subdivision of the analog value is sought. However, the evaluation circuit requires a specific one Control output, so that the requirement for the gain and stability of the necessary DC voltage amplifier becomes problematic.

Weiterhin ist eine Methode bekanntgeworden, bei der mit Hilfe von in Reihe geschalteten Differenzverstärkern die Ergebnisse einer selbstabgleichenden Brückenschaltung ausgewertet werden. Die Normgrößen werden nacheinander eingeschaltet, und bei guter Annäherung der Vergleichswerte wird die resultierende Spannung über diese Differenzverstärker ausgewertet. Durch das Einschalten der Normgrößen entsteht eine Treppenspannung, die durch Abtastung in eine Impulsfolge umgewandelt werden muß. Die Zahl der eingeschalteten Widerstände gibt dann unmittelbar Aufschluß über den Digitalwert der Analogspannung. Problematisch ist auch hier die Verwendung eines Differenzverstärkers.Furthermore, a method has become known in which with the help of Differential amplifiers connected in series show the results of a self-balancing Bridge circuit are evaluated. The standard sizes are switched on one after the other, and with a good approximation of the comparison values, the resulting voltage is about this differential amplifier evaluated. By switching on the standard sizes a staircase voltage which is converted into a pulse train by scanning got to. The number of resistors switched on then provides immediate information the digital value of the analog voltage. The use of a is also problematic here Differential amplifier.

Bei feiner Unterteilung des Analogwertes in digitaler Form werden die Unterschiede an der Brückenschaltung zwischen Analogwert und digitalem Vergleichswert immer geringer. Da jedoch die Auswertestufe für das Stillsetzen des Abtastvorganges eine bestimmte Leistung benötigt, wird die Verstärkung zwischen Brücke und Auswertestufe groß. Die Stabilität der Verstärkung muß außerdem sehr gut eingehalten werden.With a fine subdivision of the analog value in digital form the differences at the bridge circuit between the analog value and the digital comparison value always less. However, there is the evaluation stage for stopping the scanning process If a certain power is required, the gain between the bridge and the evaluation stage is increased great. The stability of the reinforcement must also be maintained very well.

Eine weitere bekannte Schaltungsanordnung löst die bereits geschilderten Probleme teilweise durch einen Vergleicher, bei dem der Analogwert einer Spannung über die Primärwicklung eines Impulsübertragers mit dem Ladezustand eines Kondensators verglichen wird. Der Ladezustand des Kondensators entspricht letztlich dem Digitalwert der entsprechenden Vergleichsspannung. Der Kondensator wird über den Umschaltekontakt eines Zerhackers und der Primärwicklung eines Impulsüber-, tragers mit dem Analogeingang oder mit dem Digitaleingang verbunden. Entspricht die Kondensatorladung dem Analogwert, so liefert der Impulsübertrager keine Impulse an seiner Sekundärwicklung.Another known circuit arrangement solves those already described Problems partly due to a comparator in which the analog value of a voltage Via the primary winding of a pulse transformer with the state of charge of a capacitor is compared. The state of charge of the capacitor ultimately corresponds to the digital value the corresponding equivalent stress. The capacitor is via the changeover contact a chopper and the primary winding of a pulse transformer with the analog input or connected to the digital input. If the capacitor charge corresponds to the analog value, so the pulse transmitter does not deliver any pulses to its secondary winding.

Ein derartiger Vergleicher hat den Nachteil, daß durch die Verwendung eines Zerhackers mit mechanischem Kontakt eine exakte Impulsgabe nicht möglich und die Schaltgeschwindigkeit relativ niedrig ist. Die niedrige Schaltgeschwindigkeit wiederum verhindert die schnelle Auswertung der Vergleichsspannungen und die Verwendung eines Wec'hselspannungsverstärkers für relativ hohe Frequenzen, der mit geringem Platzbedarf zu realisieren ist. Da sich ein Impulsübertrager für die Schaltgeschwindigkeiten eines Zerhackers praktisch nicht realisieren läßt, wenn Rechteckimpulse mit einem Impuls-Pausen-Verhältnis 1 : 1 übertragen werden sollen, liefert in derartigen Vergleichern die Sekundärwicklung des Impulsübertragers kurze Impulse und lange Pausen, die über einen Impulsverstärker einem Schwellwertschalter zugeführt werden.Such a comparator has the disadvantage that by using of a chopper with mechanical contact, an exact impulse is not possible and the switching speed is relatively low. The low switching speed in turn prevents the rapid evaluation of the equivalent stresses and their use an alternating voltage amplifier for relatively high frequencies, the one with low Space requirement is to be realized. Since there is a pulse transmitter for the switching speeds a chopper can practically not be realized when square-wave pulses with a A pulse-pause ratio of 1: 1 is to be transmitted in such comparators the secondary winding of the pulse transformer short pulses and long pauses that go over a pulse amplifier can be fed to a threshold switch.

Auf Grund der den bekannten Anordnungen anhaftenden Nachteile ist es wünschenswert, bei einer Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines Analogsignals in ein Digitalsignal mittels eines Vergleichers, bei dem ein Impulsübertrager nur dann Rechtecksignale an der Sekundärwicklung liefert, wenn die zu vergleichenden Spannungen unterschiedliche Amplituden aufweisen, den Vergleicher so auszubilden, daß er in der Lage ist, unterschiedliche Amplituden zweier Spannungen in potentialfreie Rechteckimpulse hoher Frequenz zu formen und dabei verschleißfrei zu arbeiten.Due to the disadvantages inherent in the known arrangements it is desirable in a circuit arrangement for converting an analog signal into a digital signal by means of a comparator, in which a pulse transmitter only then delivers square wave signals to the secondary winding when the to be compared Voltages have different amplitudes to design the comparator in such a way that that he is able to have different amplitudes of two voltages to form potential-free rectangular pulses of high frequency and thereby wear-free to work.

Dies wird durch die Anordnung gemäß der Erfindung erreicht und gelöst durch zwei Emitterfolger, deren Emitter über Entkopplungswiderstände und die Primärwicklung eines Impulsübertragers verbunden sind und die entkoppelten Anschlüsse der Primärwicklung des Impulsübertragers mit einer Steuerschaltung verbunden sind, in der als aktive Stellglieder zwei Gleichrichter angeordnet sind, die kathodenseitig an den entkoppelten Anschlußpunkten liegen, während sie anodenseitig mit dem Kollektor eines. Transistors verbunden sind, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Basis Anschlußpunkt für eine Taktfrequenz ist.This is achieved and solved by the arrangement according to the invention by two emitter followers, their emitters via decoupling resistors and the primary winding of a pulse transformer are connected and the decoupled connections of the primary winding of the pulse transmitter are connected to a control circuit as active Actuators two rectifiers are arranged, the cathode side to the decoupled Connection points lie while they are on the anode side with the collector of a. Transistor are connected, the emitter of which is connected to ground and its base connection point for is a clock frequency.

In einer Abwandlung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in der Steuerschaltung an Stelle von zwei Gleichrichtern als aktive Stellglieder zwei Transistoren vorgesehen, von denen der Kollektor des einen Transistors mit dem einen entkoppelten Anschlußpunkt, der Kollektor des anderen Transistors mit dem anderen entkoppelten Anschlußpunkt und die Emitter beider Transistoren mit Masse verbunden sind, während die zusammengeschalteten Basen Anschlußpunkt für eine Taktfrequenz sind.In a modification of the circuit arrangement according to the invention are in the control circuit instead of two rectifiers as active actuators two transistors are provided, one of which has the collector of one transistor the one decoupled connection point, the collector of the other transistor with the other decoupled connection point and the emitters of both transistors with ground are connected, while the interconnected bases connection point for a clock frequency are.

Der erfindungsgemäße Vergleicher und seine Wirkungsweise werden im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben.The comparator according to the invention and its mode of operation are in described below with reference to the drawing.

F i g. 1 stellt schematisch einen Analog-Digital-Umsetzer dar.F i g. 1 schematically shows an analog-to-digital converter.

Der Transistor T 1 und Widerstand R 1 sowie Transistor T 2 und Widerstand R 2 sind Ernitterfolger. Die Emitter der beiden Transistoren sind über die Entkopplungswiderstände R 3 und R 4 bzw. R S und R 6 und über die Primärwicklung w 1 eines Impulsübertragers Ü miteinander verbunden. Die Steuerschaltung S ist durch einen Transistor T 3 und die Gleichrichter G 1 und G 2 realisiert; sie wird über die Basis des Transistors T 3 durch Rechteckimpulse mit einem Impuls-Pausen-Verhältnis von 1: 1 ständig angesteuert, so daß sie im Rhythmus der Taktfrequenz den Transistor T 3 öffnet und sperrt. Die Sekundärwicklung w 2 des Impulsübertragers Ü ist mit dem Eingang eines Wechselspannungsverstärkers 3 verbunden. Ist die Amplitude der Analogspannung f71 gleich der Amplitude der Spannung U 2, die dein Digitalwert entspricht, so fließt in der Primärwicklung w 1 des Impulsübertragers i`y kein Strom. Die Steuerung über den Transistor T 3 bleibt ohne Wirkung, da durch das Niedertasten der gleichen Spannungen an Punkt A und B über den Transistor T 3 und die Gleichrichter G 1 und G 2, die Potentiale an der Primärwicklung w 1 nicht verändert werden. Es wird somit kein Zeichen auf die Sekundär-Wicklung w 2 des Impulsübertragers Ü induziert. Der Eingang des Verstärkers 3 ist praktisch ohne Signal, und damit bleibt der dem Verstärker 3 nachgeschaltete Schmitt-Trigger 4, der die Abtastschaltanordnung einschaltet, in Ruhestellung. Wird die Amplitude der Analogspannung U 1 verändert, so entsteht am Emitter des Transistors T 1 gegenüber dem Emitter des Transistors T 2 ein Spannungsunterschied, und es fließt in der Primärwicklung w 1 des Impulsübertragers Ü Strom, und zwar so lange, wie Transistor T 3 gesperrt ist. Wird T 3 leitend, so wird der Spannungsunterschied der Punkte A gegen B wieder aufgehoben, weil über die beiden Gleichrichter G 1 und G 2 die Punkte A und B praktisch mit Masse verbunden werden. Der im Rhythmus der Taktfrequenz auftretende Spannungsunterschied wird an die Sekundärwicklung w 2 des Impulsübertragers Ü induziert und dem Verstärker 3 zugeführt.The transistor T 1 and resistor R 1 as well as transistor T 2 and resistor R 2 are emitter followers. The emitters of the two transistors are connected to one another via the decoupling resistors R 3 and R 4 or RS and R 6 and via the primary winding w 1 of a pulse transformer Ü. The control circuit S is implemented by a transistor T 3 and the rectifiers G 1 and G 2 ; it is constantly controlled via the base of the transistor T 3 by square-wave pulses with a pulse-pause ratio of 1: 1, so that it opens and blocks the transistor T 3 in the rhythm of the clock frequency. The secondary winding w 2 of the pulse transformer U is connected to the input of an AC voltage amplifier 3. If the amplitude of the analog voltage f71 is equal to the amplitude of the voltage U 2, which corresponds to your digital value, then no current flows in the primary winding w 1 of the pulse transformer i`y. The control via the transistor T 3 remains ineffective, since the potentials at the primary winding w 1 are not changed by pressing down the same voltages at points A and B via the transistor T 3 and the rectifiers G 1 and G 2. No sign is thus induced on the secondary winding w 2 of the pulse transformer Ü. The input of the amplifier 3 is practically without a signal, and thus the Schmitt trigger 4 connected downstream of the amplifier 3, which switches on the sampling switching arrangement, remains in the rest position. If the amplitude of the analog voltage U 1 is changed, a voltage difference arises at the emitter of the transistor T 1 compared to the emitter of the transistor T 2, and current flows in the primary winding w 1 of the pulse transformer U for as long as transistor T 3 is blocked is. If T 3 becomes conductive, the voltage difference between points A and B is canceled again because points A and B are practically connected to ground via the two rectifiers G 1 and G 2. The voltage difference occurring in the rhythm of the clock frequency is induced on the secondary winding w 2 of the pulse transformer U and fed to the amplifier 3.

Für den Analog-Digital-Umsetzer bedeutet dies, daß immer dann, wenn die getastete Spannung am Impulsübertrager Ü einen bestimmten Wert überschreitet, der Schmitt-Trigger 4 betätigt wird, der die Schaltungsanordnung »Abtastung« einschaltet.For the analog-digital converter, this means that whenever the sensed voltage at the pulse transformer Ü exceeds a certain value, the Schmitt trigger 4 is actuated, which switches on the "scanning" circuitry.

Arbeitet der Analog-Digital-Umsetzer nach der Zählmethode, wie in F i g. 1 gezeigt, so stellt die Schaltungsanordnung »Abtastung« eine Zählschaltung hoher Geschwindigkeit dar, die im Rhythmus der Zählgeschwindigkeit Normspannungen verschiedener Größe nacheinander an den Digitaleingang des Vergleichers legt, bis der Vergleichswert am Digitaleingang ± einer Bewertungsgröße dem Analogspannungswert äquivalent ist. Ist dieser Zustand erreicht, so liefert der Impulsübertrager keine oder nur sehr kleine Reehteckimpulse an den Verstärker 3, der Schmitt-Trigger 4 kippt in die Ruhelage und setzt somit die Schaltungsanordnung »Abtastung« still.If the analog-to-digital converter works according to the counting method, as shown in FIG. 1, the "sampling" circuit arrangement represents a high-speed counting circuit that applies standard voltages of various sizes to the digital input of the comparator in succession at the rate of counting until the comparison value at the digital input ± an evaluation variable is equivalent to the analog voltage value. If this state is reached, the pulse transmitter delivers no or only very small square pulses to the amplifier 3, the Schmitt trigger 4 tilts to the rest position and thus stops the "scanning" circuit arrangement.

Die Empfindlichkeit des Vergleichers kann in einfacher Weise durch Veränderung der Verstärkung beeinflußt werden.The sensitivity of the comparator can be determined in a simple manner Change in gain can be influenced.

Ein weiterer Vorzug der Anordnung gemäß der Erfindung ist die völlige Potentialtrennung der auszuwertenden Signale durch die galvanisch getrennten Wicklungen w 1 und w 2 des Impulsübertragers Ü.Another advantage of the arrangement according to the invention is that it is complete Potential separation of the signals to be evaluated by the galvanically separated windings w 1 and w 2 of the pulse transformer Ü.

F i g. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der elektronischen Steuerungsschaltung für den Vergleicher. An Stelle zweier Gleichrichter G 1 und G 2 werden hier die Transistoren T 4 und T S parallel von der Taktfrequenz gesteuert. Die Funktion dieser Steuerschaltung entspricht sinngemäß der oben beschriebenen Anordnung.F i g. 2 shows a further embodiment of the electronic control circuit for the comparator. Instead of two rectifiers G 1 and G 2, the transistors T 4 and TS are controlled in parallel by the clock frequency. The function of this control circuit corresponds to the arrangement described above.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines Analogsignals in ein Digitalsignal mittels eines Vergleichers, bei dem ein Impulsübertrager nur dann Rechtecksignale an der Sekundärwicklung liefert, wenn die zu vergleichenden Spannungen unterschiedliche Amplituden aufweisen, gekennzeichnet durch zwei Emitterfolger (T 1; R 1 bzw. T 2; R 2) deren Emitter über Entkopplungswiderstände (R 3; R 4 bzw. R5; R6) und die Primärwicklung (w1) eines Impulsübertragers (ü) verbunden sind, sowie dadurch, daß die entkoppelten Anschlüsse (A; B) der Primärwicklung (w 1) des Impulsübertragers (U) mit einer Steuerschaltung (S) verbunden sind, in der als aktive Stellglieder zwei Gleichrichter (G1 und G2) angeordnet sind, die kathodenseitig an den entkoppelten Anschlußpunkten (A und B) liegen, während sie anodenseitig zeit dem Kollektor eines Transistors (T3) verbunden sind, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Basis Anschlußpunkt für eine Taktfrequenz ist (F i g.1). Claims: 1. Circuit arrangement for converting an analog signal into a digital signal by means of a comparator, in which a pulse transformer only supplies square-wave signals to the secondary winding when the voltages to be compared have different amplitudes, characterized by two emitter followers (T 1; R 1 or T 2; R 2) whose emitters are connected via decoupling resistors (R 3; R 4 or R5; R6) and the primary winding (w1) of a pulse transformer (ü), as well as the fact that the decoupled connections (A; B) of the primary winding ( w 1) of the pulse transmitter (U) are connected to a control circuit (S) in which two rectifiers (G1 and G2) are arranged as active actuators, which are located on the cathode side at the decoupled connection points (A and B), while they are on the anode side Collector of a transistor (T3) are connected, the emitter of which is connected to ground and whose base is the connection point for a clock frequency (F i g.1). 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch L, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerschaltung (S) an Stelle von zwei Gleichrichtern (GI und G2) als aktive Stellglieder zwei Transistoren (T3 und T4) angeordnet sind, von denen der Kollektor .des einen Transistors (T4) mit dem einen entkoppelten Anschlußpunkt (A.), der -Kollektor des anderen Transistors (T5) mit dem anderen entkoppelten Anschlußpunkt (B) und die Emitter beider Transistoren mit Masse verbunden sind, während die zusammengeschalteten Basen Anschlußpunkt für eine Taktfrequenz sind (F i g. 2). In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1170166; britische Patentschrift Nr. 987 289; »Elektronik«, 14 (1965), Nr. 10, S. 307 bis 310.2. Circuit arrangement according to claim L, characterized in that in the control circuit (S) instead of of two rectifiers (GI and G2) as active actuators two transistors (T3 and T4) are arranged, of which the collector .des a transistor (T4) with one decoupled connection point (A.), the collector of the other Transistor (T5) with the other decoupled connection point (B) and the emitter both transistors are connected to ground while the interconnected bases Connection point for a clock frequency are (FIG. 2). Considered publications: German Auslegeschrift No. 1170166; British Patent No. 987 289; "Electronics", 14 (1965), No. 10, pp. 307 to 310.