DE1288632B

DE1288632B - Analog/Digital-Umsetzer mit einem Integrierverstaerker

Info

Publication number: DE1288632B
Application number: DES81075A
Authority: DE
Inventors: Dorey Howard Anthony; Anderson Robin Nigel
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1961-08-24
Filing date: 1962-08-23
Publication date: 1969-02-06
Also published as: GB950647A; US3267458A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Um- wird, die mit Hilfe eines Widerstandsnetzwerkes von setzer mit einem Integrierverstärker, dem die analoge einer Normalspannung abgeleitet wird, wobei die Größe als Spannung, die einen Strom zur Folge hat, Anordnung der Widerstände im Netzwerk automatisch und ein entgegengesetzt gerichteter Rückführstrom so lange verstellt wird, bis ein Nullabgleich erzielt ist. zugeführt ist, mit einem auf die Ausgangsgröße des 5 Aus der speziellen Anordnung der Widerstände ergibt Integrierverstärkers ansprechenden Pegeldetektor, der sich dann der Wert der Meßspannung. Die Anordnung den Rückführstrom nur solange fließen läßt, wie diese wird in diesen Fällen jedoch verhältnismäßig kompli-Ausgangsgröße einen vorbestimmten Wert überschrei- ziert und kostspielig, und eine Einrichtung, die in tet, und mit einem Taktimpulszähler, der vom Pegel- etwa der Leistung der erfindungsgemäßen Einrichtung detektor derart gesteuert wird, daß er die Taktimpulse io entspricht, erfordert z. B. vierzehn Präzisionsdrahtnur für die Dauer des Rückführstroms zählt. widerstände.

Ein derartiger Umsetzer kann z. B. zum Messen Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, eine

von elektrischen Spannungen, Strömen, Widerständen linear ansteigende oder stufenförmige Spannung zu oder Kondensatoren verwendet werden. Dabei ent- erzeugen und als Maß für die Meßspannung die Anzahl spricht der Zählerstand am Ende der Dauer des Rück- 15 der von einem Taktimpulsgeber abgegebenen Impulse führstroms, d. h. am Ende des Abtast- oder Meß- oder die Anzahl der Stufen der stufenförmigen Spanintervalls, der gemessenen analogen Größe in digitaler nung vom Beginn der linear ansteigenden oder stufen-Form. Zum Ablesen kann der Zählerstand, z. B. durch förmigen Spannung bis zu dem Zeitpunkt zu zählen, in Ziffernanzeigelampen, optisch dargestellt werden. dem diese linear ansteigende oder stufenförmige Span-Eine digitale Darstellung oder Anzeige einer analogen 20 nung den Betrag der unbekannten Meßspannung Größe ist häufig erwünscht, um die Wahrscheinlich- erreicht. Auch diese Anordnung hat den Nachteil, daß keit von Ablesefehlern zu verringern oder um den sie aufwendig und kostspielig wird, wenn die die linear Meßwert an einer vom Meßort entfernt liegenden ansteigende oder stufenförmige Spannung erzeugende Stelle abzulesen oder weiterzuverarbeiten. Digitale Vorrichtung ausreichend genau gebaut werden soll. Meßwerte können in der Regel mit größerer Genauig- 25 Es ist auch bereits bekannt, die Meßspannung einem keit übertragen werden. Integrierverstärker zuzuführen, dessen Ausgangs-

Ein anderes Anwendungsgebiet sind digitale Regel- signal einem Impulsgeber zugeführt wird, der immer kreise. In digitalen Regelkreisen, z. B. bei einer nume- dann einen Impuls abgibt, wenn seine Eingangsrisch gesteuerten Werkzeugmaschine, deren Sollwert spannung einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, bzw. Führungsgröße, sei es direkt von Hand, von einem 30 Diese Impulse entsprechen jeweils einer vorbestimmten Lochstreifen, von einem Magnetband oder von einem konstanten Ladungseinheit und werden ebenfalls dem Rechner (Bahnsteuerung) digital vorgegeben wird, Verstärkereingang, jedoch mit entgegengesetzter Powird oft zur Erhöhung der Genauigkeit der Vergleich larität als die Meßspannung, zugeführt. Dieser Umzwischen Istwert und Sollwert im Digitalen durchge- setzer wirkt durch die Rückführung der Impulse wie führt. Dazu muß der von Natur aus analoge Istwert 35 ein rückgekoppelter Oszillator, der sich selbst zu in digitaler Form vorliegen. Verwendet man jetzt als Schwingungen anregt. Am Ausgang des Impulsgebers Meßgeber einen Meßumformer, der den analogen haben die Schwingungen die Form von Rechteck-Weg, beispielsweise den Werkzeugmaschinenschlitten, impulsen. Die Frequenz der Schwingungen ist proin eine analoge Spannung umformt, dann kann diesem portional der angelegten Meßspahnung. Zählt man der erfindungsgemäße Analog-Digital-Umsetzer nach- 40 die Impulse, die der Impulsgeber in einer vorbestimmgeschaltet werden. Dies hat den weiteren Vorteil, daß ten Zeiteinheit abgibt, dann ist diese Anzahl ein Maß der Istwert, beispielsweise durch Ziffernanzeigeröhren, für die Frequenz der Impulse und damit der angelegten weithin sichtbar angezeigt und von der Bedienungs- Meßspannung. Um die Frequenz und damit die Meßperson ständig sehr leicht und genau verfolgt werden spannung jedoch genau messen zu können, ist ein kann.Die digitale Regelabweichung muß dannnatürlich 45 mindestens ebenso genaues Zeitnormal erforderlich, wieder ins Analoge umgesetzt werden. das das Meßintervall bestimmt, in dem die Impulse

Zur laufenden Auswertung von Meßergebnissen gezählt werden. Dadurch werden wiederum der Aufanaloger Vorgänge mit Hilfe eines Digitalrechners wand und die Kompliziertheit der Anordnung unerkönnen diese dem Digitalrechner durch Zwischen- wünscht groß.

schaltung des erfindungsgemäßen Analog-Digital- 50 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Umsetzers laufend eingegeben werden. einen Analog-Digital-Umsetzer zu schaffen, der eine

Auch zur späteren Auswertung von Meßergebnissen genaue Umsetzung einer analogen Größe in eine analoger Vorgänge durch einen Digitalrechner können digitale Größe ermöglicht, ohne daß linear ansteigende die analogen Vorgänge über diesen erfindungsgemäßen Spannungen oder genaue Zeitmessungen u. dgl. erAnalog-Digital-Umsetzer zunächst digital, sei es 55 forderlich wären.

magnetisch (Band, Trommel, Scheibe, Kernspeicher) Ausgehend von einem Analog-Digital-Umsetzer der

oder in einem Lochstreifen, gespeichert werden. eingangs erwähnten Art, wird diese Aufgabe dadurch

Weitere Anwendungsbeispiele sind denkbar, doch gelöst, daß der der analogen Größe entsprechende liegen sie aus der Natur des erfindungsgemäßen AD- Strom dem Integrierverstärker über einen Schalter Umsetzers auf der Hand, wenn die Vorgänge nur 60 zuführbar und der Schalter von einer Vorrichtung für verhältnismäßig langsam zur Zählfrequenz des Takt- die Dauer einer vorbestimmten Anzahl von Taktimpulimpulszählers ablaufen. sen schließbar ist.

Wenn somit Merkmale der Erfindung im folgenden Gegenüber den bekannten Analog-Digital-Um-

nur an Hand eines digitalen Voltmeters beschrieben setzern dieser Art hat diese Lösung den Vorteil, daß werden, sollen damit andere Anwendungsfälle nicht 65 die Frequenz der zum Auszählen der ein Maß für die ausgeschlossen sein. analoge Größe darstellenden Dauer des Rückführ-

Es sind bereits digitale Voltmeter bekannt, bei denen Stroms verwendeten Taktimpulse nicht in die Meßdie Meßspannung gegen eine Spannung abgeglichen genauigkeit eingeht. Denn dadurch, daß die analoge

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Größe jedesmal nur für die Dauer einer vorbestimmten Gleichrichtung und Mittelwertbildung der sinus-

Anzahl von Taktimpulsen zugeführt wird, hängt der förmigen analogen Größe entspricht, jedoch ohne die

Betrag der Ausgangsgröße des Integrators am Ende Ungenauigkeit. die sich dadurch ergeben würde, daß

der vorbestimmten Anzahl von Taktimpulsen nicht man die analoge Größe vorher mit Hilfe eines Gleich-

nur von dem Betrag der analogen Größe, sondern auch 5 richters gleichrichtet. Bei sinusförmiger analoger

von der durch die vorbestimmte Anzahl von Takt- Größe ist dieser Mittelwert auch dem Effektivwert

impulsen bestimmten Abtastdauer (Meßintervall) ab. proportional.

Wenn nämlich die Abtastdauer größer würde, weil die Zur Umsetzung einer konstanten analogen Größe in Frequenz der Taktimpulse kleiner wird, wäre auch die eine digitale Größe kann der erfindungsgemäße Um-Verstärkerausgangsgröße am Ende der vorbestimmten io setzer auf zwei Arten betrieben werden, um das Impuls-Anzahl von Taktimpulsen (bei konstanter Eingangs- anwesenheitsverhältnis festzustellen. Die erste entgröße) größer, so daß auch die Anzahl der während spricht der bereits erwähnten, bei der die analoge der Rückführstromdauer gezählten Taktimpulse größer Größe dem Verstärkereingang eine vorbestimmte Zeit würde, obwohl oder weil ihre Frequenz kleiner wird. lang zugeführt wird, die durch die vorbestimmte An-Mit anderen Worten, gemäß der Erfindung wird das 15 zahl von Taktimpulsen festgelegt ist. Die Anzahl der Verhältnis der Anzahl von während der Rückführ- Ladungseinheiten, die erforderlich sind, um die Verstromdauer auftretenden Taktimpulsen zu der vorbe- Stärkerausgangsgröße auf den Bezugswert zurückzustimmten Anzahl von Taktimpulsen desselben Takt- bringen, wird dann gezählt.

impulsgebers als Maß für die analoge Größe genommen, Bei der zweiten Art muß der vorbestimmte Wert, so daß zumindest Langzeit-Frequenzänderungen korn- 20 bei dessen Überschreiten der Pegeldetektor anspricht, pensiert werden, da im Zähler und Nenner dieses derjenigen Abweichung der Verstärkerausgangsgröße Verhältnisses dieselbe Frequenz steht. Dieses Verhält- vom Bezugswert entsprechen, die durch eine Ladungsnis wird weiterhin auch »Impulsanwesenheitsverhältnis« einheit hervorgerufen wird. Die analoge Größe wird genannt. Die Frequenz der Taktimpulse braucht also dabei ständig zugeführt, und das Impulsanwesenheitsnicht sehr genau konstant zu sein, so daß man mit as verhältnis ist durch die Anzahl von Impulsen gegeben, einem einfachen unstabilisierten i?C-Oszillator als die tatsächlich während des Auftretens einer vorbe-Taktimpulsgeber auskommt. Lediglich dann, wenn stimmten Anzahl von Taktimpulsen zugeführt werden, man den Rückführstrom erst am Ende der Abtast- Unabhängig davon, welche Betriebsart bzw. welche dauer, nachdem sich der Integrationskondensator auf- Kombination der beiden Betriebsarten gewählt wird, geladen hat, zum Entladen des Kondensators einschal- 30 entspricht die Meßdauer stets der vorbestimmten ten will, statt ihn gleichzeitig während der Aufladung Anzahl von Taktimpulsen, und der Betrag der anaeinzuschalten, wäre eine Kurzzeitstabilität der Takt- logen Größe ist dann durch die während der Rückimpulsfrequenz erforderlich, die aber ebenfalls durch führstromdauer auftretende Anzahl von Impulsen, einen einfachen i?C-Oszillator gewährleistet ist. multipliziert mit einem Maßstabsfaktor, der die vor-

Vorzugsweise ist die Erfindung dadurch weitergebil- 35 bestimmte Anzahl von Taktimpulsen enthält, bestimmt,

det, daß die Quelle des Rückführstroms in an sich Das Impulsanwesenheitsverhältnis selbst wird dabei

bekannter Weise aus einem dem Integrierverstärker eine nicht ermittelt.

Bezugsspannung zuführenden Schalter und einem Wie bei anderen Voltmetern kann der erfindungsge-

diesem Schalter Taktimpulse zuführenden Tor, die mäße Digital-Analog-Umsetzer zum Messen von

dieses Tor öffnen, um dem Verstärker Einheitsladungs- 40 Strömen, Widerständen, Ladungen, Kapazitäten usw.

inkremente zuzuführen, besteht und das Tor von verwendet werden.

dem Pegeldetektor gesteuert ist. Dieser Schalter, das Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeich-Tor und der Pegeldetektor können in an sich bekannter nung eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Weise in zweifacher Ausführung vorgesehen sein, F i g. 1 stellt ein Blockschaltbild dar, dem die beiden wobei der eine Pegeldetektor auf positive und der 45 Möglichkeiten der Verwendung eines erfindungsandere auf negative Verstärkerausgangsgrößen an- gemäßen Umsetzers zur Spannungsmessung zu entspricht, so daß der Umsetzer zur Umsetzung von nehmen sind, und

analogen Größen verschiedener Polarität verwendet F i g. 2 und 3 zeigen Diagramme, die sich auf die

werden kann. Vorzugsweise wird dann in an sich beiden Verwendungsarten beziehen,

bekannter Weise ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler (auch 50 Nach F i g. 1 wird die zu messende Spannung

Differentialzähler genannt) verwendet, dem zur Bildung an den Klemmen 10 über einen Schalter 12 und einen

des Mittelwertes der analogen Größe in digitaler Form Widerstand 14 dem Eingang eines Integrierverstär-

die während der einen Polarität der analogen Größe kers 16 zugeführt. Der Verstärker kann ein an sich

auftretenden Taktimpulse in der einen Zählrichtung bekannter Verstärker mit hoher Schleifenverstärkung

und die während der anderen Polarität auftretenden 55 sein, der die gewünschte Genauigkeit aufweist. Vor-

Taktimpulse in der anderen Zählrichtung zugeführt zugsweise ist er mit Hilfe eines Zerhackers gegen Drift

werden, so daß der Zählerstand stets dem Mittelwert stabilisiert und über einen Kondensator zurückge-

der analogen Größe entspricht. koppelt, damit die erforderliche Integration erzielt

Um auch den Effektivwert einer sinusförmigen wird. Der Bezugsausgangspegel liegt auf 0 Volt, analogen Größe darstellen zu können, ist der Zähler 60 und zwei Detektoren 18 bzw. 20 sprechen auf negative erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß er die Gesamt- bzw. positive Ausgangspegel an, die sich aus positiven zahl der Taktimpulse während der Dauer des Rückführ- bzw. negativen Eingangsspannungen auf Grund der Stroms unabhängig davon zählt, ob diese Impulse auf- Phasenumkehr im Verstärker ergeben. Nimmt man treten, wenn der Rückführstrom positiv oder negativ an, daß eine dem Verstärker zugeführte Ladungseinist. 65 heit einer Änderung im Verstärkerausgangspegel von

Dadurch werden Anzahlen von Ladungseinheiten, Δ V entspricht, dann öffnen die Detektoren 18 bzw. 20

die während der Meßdauer zurückgeführt werden, un- die Tore 22 bzw. 24, wenn der Ausgangspegel nega-

abhängig von ihrem Vorzeichen summiert, was einer tiver als —η Δ V bzw. positiver als '+ηΔ-V wird. Die

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Detektoren 18 und 20 können Schmitt-Trigger-S'chal- den abgestuften Verlauf. Wenn dem Verstärker eine tungen sein, deren Triggerpegel bei —nAV bzw. Ladungseinheit von 8 · 10~¹³ Coulomb zugeführt wird, + nA V liegt. Der Einfachheit halber wird « = 1 in fällt der Ausgangspegel in 2,5 Mikrosekunden um der vorliegenden Beschreibung gesetzt. A V, worauf ein stationäres Intervall von 2,5 Mikro-

Die Tore 22 und 24 steuern den Durchgang der von 5 Sekunden folgt.

einem 200 kHz Taktimpulsgeber 26 mit guter Kurz- In der graphischen Darstellung Fl¹ sind 500 und in

zeit-Frequenz-Stabilität abgegebenen Taktimpulse zu der Darstellung V2¹ 1000 Stufen vorhanden. Diese bistabilen Elementen 28 und 30. Der Taktimpuls- Anzahl wird von einem Zähler 52 gezählt, der über ein geber 26 kann ein jRC-Oszillator sein. Die Anordnung bistabiles Element 28 oder 30 weitergeschaltet wird, ist so getroffen, daß, solange eines der Tore 22 oder 24 io Der Zählerstand, dividiert durch den entsprechenden offen ist, das bistabile Element 28 oder 30 gesetzt ist Maßstabsfaktor von 10 000, kann in beliebiger Weise und nach jeweils 5 Mikrosekunden (d. h. nach jeder angezeigt werden, so daß als gemessene Spannung Periode der Taktimpuls) rückgesetzt wird, wobei die 0,1 oder 0,05 Volt dargestellt wird. Das Vorzeichen wird Zeitdauer der Setz- und Rücksetzzustände jeweils in Abhängigkeit davon angezeigt, welches der bistabilen 2,5 Mikrosekunden beträgt. Jedes bistabile Element 15 Elemente 28 oder 30 wirksam ist, und zur Sicherheit bleibt rückgesetzt, wenn das entsprechende Tor kann ein Warnsignal erzeugt werden, wenn beide geschlossen ist. bistabilen Elemente beim Ablesen betätigt sind. Dies

Das bistabile Element 28 steuert zwei Transistoren32 zeigt an, daß die Spannung ihre Polarität geändert hat. und 34, die als Schalter arbeiten und dem Eingang des Aus Vereinfachungsgründen wurden die graphischen

Verstärkers 16 über einen Widerstand 36 entweder 20 Darstellungen Fl¹ und V2¹ auf das Intervall von OVoIt oder eine Spannung—U_ref zuführen. DieKollek- 8 Millisekunden in Fig. 2 folgend dargestellt; die toren der Transistoren sind also mit Erde bzw.—U_ref Ladungseinheit kann jedoch auch zu Beginn des und die Emitter mit dem Widerstand 36 verbunden. Intervalls von 8 Millisekunden zugeführt werden. Die Die Rücksetzbreite des bistabilen Elementes 28 steuert Zeitpunkte, in denen die Ladungseinheiten zugeführt die Basis des Transistors 32 und die Setzseite die Basis 25 werden, sind unwesentlich, nur die Gesamtzahl der des Transistors 34, so daß dem Integrierverstärker 16 Ladungseinheiten spielt eine Rolle, mit jedem Taktimpuls eine Ladungseinheit (—U_ref 2,5 Wenn die Spannung in dem Intervall von 8 MiUi-

Mikrosekunden)/i?36 zugeführt wird, wenn das Tor 22 Sekunden schwankt, ergibt die Messung den Mittelwert geöffnet ist. -R36 ist der Widerstandswert des Wider- über das Intervall. Dies ist von wesentlichem Vorteil, Standes 36. Die Ladungseinheit kann eine Größe von 30 da statistisches oder »weißes« Rauschen über das 8 · 10~¹³ Coulomb haben. In ähnlicher Weise steuert gesamte Intervall ausgemittelt wird, so daß bei nieddas bistabile Element 30 die Transistoren 38 und 40, rigen Pegeln genaue Ablesungen erzielt werden könso daß entweder eine Spannung Null oder + U_ref über nen. Spannungen, die sich in ihrer Polarität ändern, einen Widerstand 42 dem Verstärkereingang zugeführt können nach diesem ersten Verfahren nicht gemessen wird. Durch diesen Teil der Schaltung wird eine 35 werden. Die kleinste noch meßbare Spannung ist die, positive Ladungseinheit in den Verstärker eingeführt. die dem Auftreten einer einzigen Ladungseinheit im Die einzigen kritischen Elemente in den Schaltungen gesamten Intervall, in dem der Schalter 12 geschlossen sind die drei Widerstände 14, 36 und 42 und die Teile ist, entspricht, hier sind es 0,0001 Volt. Wenn die (z. B. Zenerdioden), die die Spannungen + U_ref und Betriebsart auf den Fall beschränkt wird, bei dem — Uref erzeugen. 4° entgegenwirkende Ladungseinheiten mit einer solchen

Da der Taktimpulsgeber 26 sowohl die Zeitdauer, Folgefrequenz zugeführt werden, daß die Abweichung in der die bistabilen Schaltelemente gesetzt sind, als vom Bezugswert niemals +(« + I)A V oder 2Δ V in auch die Dauer der Abtast- bzw. Meßintervalle diesem Fall, übersteigt, ist die maximale direkt meßbestimmt, beeinflussen Langzeitänderungen der Takt- bare Spannung die, die der Anzahl der Impulse des impulsfrequenz die Genauigkeit des Gerätes nicht. 45 Taktimpulsgebers 26 im Intervall des Schließens des Der Taktimpulsgeber 26 speist auch eine Frequenz- Schalters 12 entspricht. Im vorliegenden Beispiel teilerschaltung 44, die 1600 Impulse erzeugt, die etwa beträgt diese Spannung 2 · 10^B · 8 · IO-³ · 0,0001 Volt, 8 Millisekunden andauernde Abtastintervalle fest- d. h. 0,16 Volt. Höhere Spannungen werden mit HiKe legen. Nimmt man an, daß die Einrichtung in der einer Eingangsdämpfungsvorrichtung gemessen, und ersterwähnten Weise verwendet wird, wird ein Schal- 50 es lassen sich Genauigkeiten in der Größenordnung von ter 46 von Hand geschlossen, so daß die Taktimpulse 0,5 °/₀ im Beispiel gemäß der Erfindung erzielen, einer Schaltersteuervorrichtung 48 zugeführt werden, Ein Vorteil, die Abweichungen so zu halten, daß

die den Schalter 12 1600 Impulse lang sehließt. Die sie nicht -\-AV übersteigen, besteht darin, daß der Schaltersteuervorrichtung kann ein bistabiles Kipp- Wert des Rückkopplungskondensators im Verstärker 16 glied sein, das einen Transistorschalter betätigt. In 55 klein sein kann. Wird dieses zweite Verfahren in der dieser Zeit steigt der Ausgangspegel des Verstärkers 16 Praxis angewandt, ist es wesentlich, den Betrieb so (negativ oder positiv, je nachdem, ob die zu messende einzustellen, daß die Abweichung, sobald sie+Δ Foder Spannung positiv oder negativ ist) mit einer Geschwin- — Δ Fwird, beim Auftreten des nächsten Taktimpulses digkeit an, die von der Größe der zu messenden Span- durch Betätigung des bistabilen Elementes 30 oder 28 nung abhängt. F i g. 2 zeigt dies für zwei verschiedene 60 auf den Bezugspegel zurückgebracht wird. Dabei kann Spannungen Vl und V2, die 0,05 und 0,1 Volt be- der Schalter 12 die ganze Zeit geschlossen bleiben, tragen können. Wenn der Widerstand 14 einen Wert und die Größe der Spannung an den Klemmen 10 wird von 1 Megohm hat, fließen Ladungen von 4·10~¹⁰ stets durch das Impulsanwesenheitsverhältnis angezeigt, und 8 · 10"¹ ° Coulomb. In der zweiten Betriebsart ist der Schalter 46 geöffnet,

Der Verstärkerausgangspegel wird in den Bezugs- 65 wodurch die Schaltsteuervorrichtung 48 den Schalter 12 bereich +Δ Γ zurückgebracht, wie es durch die gra- dauernd schließt. Ein Schalter 54 ist geschlossen, so phischen Darstellungen Fl¹ und V2¹ in F i g. 2 gezeigt daß die Frequenztreiberschaltung 44 den Zähler 52 in ist. Die vergrößerte Ansicht 50 der Teile davon zeigt der Weise steuert, daß er nur über das Intervall von

1600 Impulsen zählt. Der Zähler zeigt damit die Anzahl von Impulsen an, die tatsächlich dem bistabilen Element 28 oder 30 während des Intervalls von 1600 Taktimpulsen zugeführt wird.

Wenn der Zähler 52 derart ausgebildet ist, daß er die Gesamtzahl der beiden bistabilen Elementen zugeführten Taktimpulse zählt, ist es klar, daß die negativen Teile der Eingangswellenform so behandelt werden, als ob sie gleichgerichtet wären, und der vom Zähler angezeigte Wert ist der mittlere Wert der durch Vollweggleichrichtung erzielten Eingangsgröße. Ist der Verlauf der Wellenform bekannt, so sind auch der Spitzwert und der Effektivwert bekannt.

Dies ist in F i g. 3 gezeigt, in der eine sinusförmige Eingangsspannung V dargestellt ist. Die negativen Halbwellen werden so behandelt, als ob sie hochgeklappt (gleichgerichtet) wären, so daß der durch den Zähler 52 angezeigte Wert gleich dem Mittelwert MV ist. Die Wirkungsweise des Voltmeters ist in vergrößerten Ansichten 56 und 58 für niedrige und hoheWerte ao von V gezeigt.

Wie die Ansicht 56 zeigt, wenn also V klein ist, steigt der Ausgangspegel VO langsam an, und nur in einem 5-Mikrosekunden-Intervall bringt eine entgegenwirkende Ladung VO auf den Bezugswert zurück. Wenn V größer ist, steigt VO rascher an, und die Ladungseinheiten werden, wie in der Ansicht 58 gezeigt, rascher zugeführt.

Eine wechselnde Eingangsspannung muß eine Frequenz aufweisen, die geringer ist als die Frequenz des Taktimpulsgebers 26, wenn ein sinnvolles Resultat für VM erhalten werden soll. Wenn die Frequenz von V hundertmal kleiner ist als die des Taktimpulsgebers, so ist eine Genauigkeit in der Größenordnung von 0,2 % möglich. Wenn die Frequenz von V nur lOmal so klein ist, fällt die Genauigkeit auf etwa 1 °/o-

Die Eingangsimpedanz ist für Wechselstrom- und Gleichstrommessungen diesselbe, in dem angegebenen Beispiel 1 Megohm, was eine höhere Impedanz für die Wechselstrommessung ist als normalerweise üblich.

Bei der Messung einer Wechselspannung läßt sich ein Gleichspannungsanteil mit Hilfe eines Kondensators abblocken. Wenn der Zähler 52 dagegen jeweils additiv und subtraktiv für die bistabilen Elemente 28 und 30 zählt, wird die mittlere Gleichstromkomponente einer Wechselspannung angezeigt. Der Zähler 52 kann ein Differentialzähler bekannter Ausführungsform sein. Wenn eine additive und substraktive Zählung erforderlich sind, werden die Ausgangssignale der beiden bistabilen Elemente den beiden Zählereingangen zugeführt. Zum additiven Zählen beim Betrieb eines der beiden bistabilen Elemente werden die Ausgangssignale der beiden bistabilen Elemente ein und demselben Zählereingang zugeführt. Die beiden bistabilen Elemente arbeiten niemals gleichzeitig, so daß die Schwierigkeit, daß die Impulse einander überdecken, nicht auftritt.

Die Abtastdauer muß verschiedene Perioden einer Wechselspannung umfassen, und wenn die Frequenz niedrig ist, ist eine größere Dauer als 8 Millisekunden erforderlich, z. B. eine Dauer von 0,8 Sekunden, und die Schaltung 44 kann mit einem Schalter versehen sein, der als Abtastintervall entweder 0,8 Sekunden oder 8 Millisekunden auswählt.

Die höchste Frequenz, die gemessen werden kann, wird durch die maximale Geschwindigkeit festgelegt, mit der die Transistorschalter betätigt werden können, wobei zu beachten ist, daß sie mit der zehnfachen Frequenz der Spannung, die gemessen werden soll, betrieben werden müssen, damit eine Genauigkeit von 1 % erzielt wird. In der Praxis ist der Frequenzbereich, der zufriedenstellend mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung erfaßt werden kann, 10 Hz bis 20 kHz.

Gleich- und Wechselströme können einfach dadurch gemessen werden, daß sie durch Normwiderstände geleitet werden und daß dann der Spannungsabfall am Widerstand gemessen wird.

Um eine Kapazität zu messen, wird der Kondensator auf eine Bezugsspannung aufgeladen und in das Voltmeter entladen. Die LadungQ wird als N-AQ gemessen, wobei AQ der Wert einer Ladungseinheit und N die Anzahl der gezählten Ladungseinheiten ist. Die Kapazität ist gleich Q dividiert durch die Bezugsspannung. Kondensatoren können sehr leicht miteinander verglichen werden, da die Kapazität direkt proportional JV" ist.

Ein Widerstand wird am zweckmäßigsten in der Weise gemessen, daß ein genormter Kondensator C verwendet wird, der in die Verbindungsstelle des Widerstandes 14 mit dem Wert R und dem unbekannten Widerstand von R · X entladen wird, wobei das andere Ende von R Xgeerdet wird. Wenn i/die augenblickliche Spannung an C ist, so ist die gesamte, durch den Integrator fließende Ladung gleich

wobei dU/dt = (U/C) (RX + R)I(RX · R).
Ersetzt man Udt, so ergibt sich

Jref

Q = (l/R) (CR-RX)I(RX+ R) dU.

Wenn R wesentlich größer als R Z ist, wird
Q=*(U_refC/R)RX,

und der abgelesene Wert ist linear proportional R X. Da der Widerstand 14 in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel einen Wert von 40 Megohm hat, können Widerstände bis 400kOhm direkt auf 1% genau gemessen werden. Wenn eine Ladung in den Kondensator zurückgeführt wird, die gleich der vom Eingangswiderstand aufgenommenen Ladung ist, kann der Bereich auf 10 Megohm ausgedehnt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einem Integrierverstärker, dem die analoge Größe als Spannung, die einen Strom zur Folge hat, und ein entgegengesetzt gerichteter Rückführstrom zugeführt ist, mit einem auf die Ausgangsgröße des Integrierverstärkers ansprechenden Pegeldetektor, der den Rückführstrom nur so lange fließen läßt, wie diese Ausgangsgröße einen vorbestimmten Wert überschreitet, und mit einem Taktimpulszähler, der vom Pegeldetektor derart gesteuert wird, daß er die Taktimpulse nur für die Dauer des Rückführstromes zählt, dadurchgekennzeichnet, daß der der analogen Größe entsprechende Strom dem Integrierverstärker (16) über einen Schalter

909 506/U32

(12) zuführbar und der Schalter von einer Vorrichtung (48) für die Dauer einer vorbestimmten Anzahl von Taktimpulsen schließbar ist.

2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des Rückführstroms in an sich bekannter Weise aus einem dem Integrierverstärker eine Bezugsspannung zuführenden Schalter (34 oder 40) und einem dem Schalter Taktimpulse zuführenden Tor, die dieses Tor (22 oder 24) öffnen, um dem Verstärker Einheitsladungsinkremente zuzuführen, besteht und das Tor (22 oder 24) von dem Pegeldetektor (18 oder 22) gesteuert ist.

3. Analog-Digital-Umsetzer mit einem Integrierverstärker, dem die analoge Größe als Spannung, die einen Strom zur Folge hat, und ein wahlweise

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positiver oder negativer Rückführstrom zuführbar ist, mit einem auf die Ausgangsgröße des Integrierverstärkers ansprechenden Pegeldetektor, der den positiven bzw. negativen Rückführ strom nur so lange fließen läßt, wie die positive bzw. negative Ausgangsgröße des Verstärkers einen vorbestimmten Wert überschreitet, und mit einem vom Pegeldetektor derart gesteuerten Taktimpulszähler, daß er die Taktimpulse nur während der Dauer des Rückführstroms zählt, insbesondere ein Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (52) derart ausgebildet ist, daß er die Gesamtzahl der Taktimpulse während der Dauer des Rückführstroms unabhängig davon zählt, ob diese Impulse auftreten, wenn der Rückführstrom positiv oder negativ ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen