DE1295629B

DE1295629B -

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Publication number: DE1295629B
Application number: DE1965F0046275
Authority: DE
Priority date: 1964-07-15
Filing date: 1965-06-08
Publication date: 1969-05-22
Also published as: DE1295629C2; NL7309538A; NL154376B; NL139431C; GB1090047A; US3316547A; NL139431B; SE330186B; FR1444343A; NL6507399A; SE330186C

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur digitalen Darstellung des Zeitintegralwertes einer elektrischen Größe, bei dem der Ausgang eines Impulsgenerators, der eine Folge von Impulsen mit gleichen zeitlichen Abständen erzeugt, periodisch mit einem Impulszähler zum Zählen dieser Impulse über einen bestimmten Zeitraum gekoppelt wird und die Kopplung von dem Ausgang einer Integrationsschaltung gesteuert wird, welche ein dem Zeitintegral eines Eingangssignals proportionales Ausgangssignal erzeugt.

Bekannte integrierende Analog-Digital-Umsetzer, beispielsweise integrierende Digital-Voltmeter, erzeugen ein Signal in digitaler Form, welches für das Zeitintegral eines Eingangssignals in analoger Form repräsentativ ist. Der digitale Ausgang dieser bekannten Einrichtungen entspricht genau dem wahren Zeitintegral eines Eingangssignals, vorausgesetzt, daß das Eingangssignal eine verhältnismäßig konstante Höhe hat, oder daß es wenigstens nicht seine Polarität während des Integrationszeitintervalls ändert. Jedoch werden Polaritätsänderungen in dem Eingangssignal im allgemeinen in der Integration umgekehrt, so daß in dem digitalen Ausgang eine Abweichung gegenüber dem wahren Integral auftritt. Außerdem sind die bekannten integrierenden Analog-Digital-Umsetzer verhältnismäßig aufwendig und kompliziert in ihrer Schaltung, und ihre Genauigkeit ist weitgehend abhängig von verschiedenen Parametern der verwendeten Schaltung, insbesondere in der Integrationsschaltung. Der Schaltungsaufbau enthält daher kritische Komponenten mit kritischen Toleranzen, die sorgfältig ausgewählt werden müssen und daher recht kostspielig sind. Dies ist beispielsweise bei der USA.-Patentschrift 3 051939 (R.W.Gilbert) der Fall.

Die Erfindung bezweckt demgegenüber eine neuartige, im Verhältnis zu den bekannten Anordnungen einfache und übersichtliche Schaltungsanordnung, welche nicht nur eine digitale Darstellung eines elektrischen Analogsignals liefern, sondern auch das Verhältnis zweier unbekannter analoger Signale digital darstellen kann. Während die von Gilbert in der USA.-Patentschrift 3 051 939 angegebene Anordnung zwar die erstere Funktion erfüllen kann, ist sie nicht geeignet, das Verhältnis zwischen zwei unbekannten Eingangssignalen zu bestimmen, da sie ein festes, bekanntes Bezugssignal als eines von zwei Eingangssignalen benötigt. Außerdem muß dieses feste Bezugssignal stets größer sein als das Eingangssignal, so daß die Summe der beiden Signale den festen Schwellwert erreichen kann, um die Gatter zu schließen. Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung ist ein solches festes, bekanntes Eingangssignal nicht erforderlich. Auch ist die Schaltung nach Gilbert erheblich komplizierter und aufwendiger im Aufbau, als dies bei der Erfindung der Fall ist, da dort insbesondere mehr Gatter erforderlich sind und Frequenzteiler verwendet werden, während die Anordnung gemäß der Erfindung lediglich ein Gatter und keinen Frequenzteiler benötigt. Außerdem ist zu berücksichtigen, daß bei Gilbert die Gatter in bestimmten festen Zeitintervallen geöffnet werden und der Pegel des Ausgangssignals aus dem Integrator nur gebraucht wird, um die Gatter während eines Meßzyklus zuschließen. Dies steht im unmittelbaren Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Lehre, den Pegel des Ausgangssignals aus dem Integrator sowohl zum öffnen als auch zum Schließen des Gatters zu verwenden.

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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Eingangssignal einer ersten Polarität an die Integrationsschaltung angelegt wird, daß das erste Eingangssignal während eines ersten Zeitintervalls integriert wird, so daß ein erstes integriertes Ausgangssignal erzeugt wird, daß der Ausgang des Impulsgenerators an den Impulszähler angelegt wird, wenn das erste integrierte Ausgangssignal einen ersten Pegel erreicht, daß die Zählung der Impulse bei einem vorgegebenen Wert beginnt, wenn das erste integrierte Ausgangssignal sich während des ersten Zeitintervalls von dem ersten Pegel zu einem zweiten Pegel ändert, daß das erste Eingangssignal getrennt und ein zweites Eingangssignal mit entgegengesetzter Polarität an die Integrationsschaltung angelegt wird, wenn der Impulszähler eine volle Zählung erreicht, daß das zweite Eingangssignal, beginnend mit einem von der Beendigung des ersten Zeitintervalls abhängigen Zeitpunkt, integriert wird und dadurch ein zweites integriertes Ausgangssignal erzeugt wird, welches sich von dem zweiten Pegel während eines zweiten Zeitintervalls, das unmittelbar auf das erste Zeitintervall folgt, auf den Wert des ersten Pegels ändert, und daß der Ausgang des Impulsgenerators von dem Impulszähler getrennt wird, wenn das zweite integrierte Ausgangssignal den ersten Pegel erreicht, so daß die Zählung der Impulsfolge beendet wird und der endgültige digitale Ausgang des Impulszählers das Verhältnis der Zeitintegrale des ersten und zweiten Eingangssignals repräsentiert. Vorzugsweise liegt die Anfangszählung des Zählers auf der Mitte zwischen der Nullzählung und der Vollzählung. Auch werden für die Integration, also als Speichermittel, vorzugsweise kapazitive Speicher verwendet.
Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise einen integrierenden Analog-Digital-Umsetzer zu schaffen, der insbesondere die folgenden Eigenschaften hat: Der erzeugte digitale Ausgang gibt das wahre Zeitintegral eines Eingangssignals oder des Verhältnisses zweier Eingangssignale genau wieder; der digitale Ausgang ist im wesentlichen unabhängig von Parametern der Schaltung des Umsetzers; er ist wesentlich einfacher im Aufbau und hat erheblich weniger kritische Komponenten als die integrierenden Analog-Digital-Umsetzer der bisher bekannten Art. Die einzelnen in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten Teile sind verhältnismäßig einfach; die Erfindung ist daher nicht angewiesen auf Komponenten, die besonders kritisch sind, jedoch ermöglicht sie, einen digitalen Ausgang darzustellen, welcher dem wahren Zeitintegral eines Eingangssignals oder dem Verhältnis der Integrale von zwei Eingangssignalen genau repräsentativ ist, selbst wenn die Signale ihre Polarität während des Zeitraums der Integration umkehren.

Die allgemeine Wirkungsweise des Verfahrens gemäß der Erfindung ist folgende: Es sind Einrichtungen zur Erzeugung einer Folge von Impulsen mit gleichen Zeitabständen vorhanden, welche an den Eingang eines Impulszählers angelegt wird, der einen digitalen Ausgang liefert, welcher repräsentativ für die Zahl der Impulse ist, welche an seinen Eingang über einen gegebenen Zeitraum angelegt werden. Die Einführung der Impulse in den Eingang des Zählers wird durch einen Integrator derart gesteuert, daß ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches dem Zeitintegral der angelegten Eingangssignale proportional ist. Dabei sind Mittel vorgesehen, durch die ein erstes Eingangs-

signal zur Umwandlung in die digitale Form an den eine dem analogen Spannungswert entsprechende Integrator angelegt wird, welcher in einer gegebenen Zahl von Impulsen aus dem Impulsgenerator in den Anfangszeit die Integrierung des Eingangssignals vor- Zähler eingezählt wird. Es wird während eines Zeitnimmt und ein Ausgangssignal liefert, welches pro- raumes, der durch Auszählen einer bestimmten Zahl portional dem resultierenden Zeitintegral ist. Das inte- 5 von einem Impulsgenerator erzeugten Impulsen festgrierte Signal, das einen ersten vorgegebenen Pegel hat, gelegt wird, ein Eingangssignal an einen integrierenden bewirkt die Einleitung der Übertragung von Impulsen Speicher gelegt und daraufhin ein Bezugssignal, das von dem Impulsgenerator zu dem Eingang des Zäh- entgegengesetzte Polarität haben muß, an den Speicher lers, und der Zähler wird dann von einer vorgegebenen gelegt und während der Rückintegration auf den Anfangszählung zu einer Vollzählung in einem ersten io Ausgangspegelwert des Speichers der Zähler mit den Zeitintervall versetzt, welches in demjenigen Zeitpunkt Impulsen aus dem Impulsgenerator beaufschlagt, so beginnt, in dem das erste integrierte Ausgangssignal daß der digitale Ausgang des Impulszählers das Versich auf dem ersten vorgegebenen Pegel befindet. hältnis der Zeitintegrale des Bezugssignals und des Während dieses ersten Zeitintervalls, welches erf order- Eingangssignals repräsentiert.

lieh ist, um den Zähler auf die Vollzählung zu bringen, 15 Die Erfindung gestattet, ein Verfahren zur digitalen ändert sich das integrierte Ausgangssignal von dem Darstellung des Zeitintegrals einer elektrischen Größe ersten Pegel in einen zweiten Pegel. Auch sind Mittel zu schaffen, das eine noch anpassungsfähigere Anwenvorgesehen, um ein zweites Eingangssignal an den dung erlaubt und bei noch einfacherer Vorrichtungs-Integrator anzulegen, wobei die Polarität der des mäßiger Ausstattung eine besonders genaue und ersten Eingangssignals entgegengesetzt ist, und zwar 20 betriebssichere Arbeitsweise erlaubt. Dabei ist die in einem Zeitpunkt, der der Beendigung des ersten Reihenfolge des Anlegens von Bezugssignal und Zeitintervalls entspricht, also bewirkt durch eine Voll- Eingangssignal gegenüber dem älteren Vorschlag zählung des Zählers. Gleichzeitig wird das erste Ein- umgekehrt, und bei dem Gegenstand der vorliegenden gangssignal entfernt, und der Integrator integriert das Erfindung wird das Verhältnis zweier Eingangssignale zweite Eingangssignal. Da das zweite Eingangssignal 25 dargestellt; es braucht also das erste Eingangssignal gegenüber dem ersten Eingangssignal die entgegen- nicht unbedingt ein Bezugssignal zu sein. Wenn dabei gesetzte Polarität hat, ändert sich das resultierende nach der erwähnten bevorzugten Ausführungsform integrierte Ausgangssignal des Integrators in die ent- ein kapazitiver Speicher als Integrator verwendet wird, gegengesetzte Richtung gegenüber dem zweiten Pegel, so ergibt sich der weitere Vorteil, daß ein solcher bei dem die Integration des ersten Signals beendet war, 30 kapazitiver Speicher wesentlich schneller und genauer also in Richtung des ersten vorgegebenen Pegels. geladen und entladen werden kann, als Speicher Nach einem zweiten Zeitintervall, welches dem ersten anderer Art; auch lassen sich kapazitive Speicher in Zeitintervall unmittelbar folgt, kehrt das Ausgangs- integrierten Halbleiterschaltungen wesentlich einfacher signal des Integrators zu dem ersten Pegel zurück. und wirtschaftlicher herstellen als z. B. induktive Schaltmittel, welche auf den Ausgang des Integrators 35 Speicher.

ansprechen, bewirken dann die Beendigung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachDurchgabe von Impulsen von dem Impulsgenerator folgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert,
zu dem Eingang des Zählers, abhängig von der F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Beendigung dieses zweiten Zeitintervalls. Der von Ausführungsform eines integrierenden Analog-Digitaldem Zähler registrierte digitale Ausgang ist in dieser 40 Umwandlers gemäß der Erfindung;
Zeit genau repräsentativ dem Verhältnis der Integrale F i g. 2 zeigt ein Teil-Blockschaltbild mit einer des ersten und zweiten an den Integrator angelegten Abänderung der Schaltung nach F i g. 1, welche Eingangssignals. Wenn das zweite Eingangssignal insbesondere für die Verwendung bei Eingangseine Bezugsgröße ist, stellt der Ausgang des Zählers Signalen mit niedrigem Pegel geeignet ist;
das Zeitintegral des ersten Eingangssignals, bezogen 45 F i g. 3 enthält eine graphische Darstellung von auf die Bezugsgröße, dar, während in dem Fall, daß Schwingungsformen an verschiedenen Punkten der das zweite Eingangssignal von einer gegebenen Bezugs- Schaltung gemäß F i g. 1.

größe abweicht, der Ausgang des Zählers das Verhältnis Die in F i g. 1 dargestellte bevorzugte Ausf ührungsder Integrale der beiden zu vergleichenden Signale form eines integrierenden Analog-Digital-Umwandlers darstellt. 50 der erwähnten Art enthält einen Impulsgenerator 11, In einer älteren, nicht vorveröffentlichten Erfindung beispielsweise einen frei laufenden Multivibrator, einen (deutsche Auslegeschrift 1 258 453) ist ein Verfahren frei laufenden Sperrschwinger oder sonstige geeignete zur Spannungs-Zeitumformung für Analog-Digital- Impulserzeuger zur Erzeugung einer Impulsreihe mit Umsetzer beansprucht, bei dem aus einem analogen gleichen Zeitabständen. Auch ist ein Impulszähler 12 Spannungswert eine Zeitdauer hergeleitet wird, wäh- 55 bekannter Art vorhanden, welcher auf Leitung 13 rend deren ein Impulsgeneiator über eine Torschaltung einen digitalen Ausgang liefert, beispielsweise als den Spannungswert in einen Zähler einzählt, und sichtbare Anzeige, als elektrischer Ausgang mit binär welches dadurch gekennzeichnet ist, daß zunächst gesetzter Dezimalschreibweise, als elektrischer Binärdurch Auszählen einer bestimmten Zahl der von dem ausgang od. dgl., und welcher repräsentativ ist für Impulsgenerator erzeugten Impulse eine Zeitdauer 60 die Zahl der Impulse, die an seinen Eingang 14 aus gebildet wird, während deren ein an sich bekannter dem Impulsgenerator 11 angelegt werden. Der Impulsinduktiver Speicher mit dem Spannungsintegral des zähler weist ferner einen Vollzählung-Ausgang 16 auf, analogen Spannungswertes beaufschlagt wird, und an dem ein Impuls erscheint, wenn an dem Digitaldaß daran anschließend der induktive Speicher mit ausgang 13 eine Vollzählung registriert wird. Der einer Konstantspannung beaufschlagt wird, wobei der 65 Zähler enthält einen Rückstelleingang 17, welcher induktive Speicher unter Aufnahme des entgegengesetzt bewirkt, daß bei Auftreten eines Impulses der Zähler gleichen Spannungszeitintegrals einen Impuls abgibt, auf Null oder auf eine andere vorgegebene Anfangsdessen Dauer der Zeitbasis entspricht, während deren zählung gestellt wird.

Die Weitergabe von Impulsen von dem Impuls- vorgegebenen Schwellenpegel in einer gegebenen generator 11 zum Eingang 14 des Impulszählers 12 Richtung hindurchgelangt, und welcher bestehenwird in Übereinstimmung mit dem integrierten Aus- bleibt, bis das integrierte Ausgangssignal durch den gang einer Integrationsschaltung 18 in noch zu be- Schwellenpegel in der entgegengesetzten Richtung schreibender Weise gesteuert. Die Integrationsschal- 5 hindurchgeht. Der Ausgang des Komparators 24 ist tung 18 enthält vorzugsweise einen Funktionsver- mit dem einen Eingang 25 einer UND-Schaltung 26 stärker 19, zwischen dessen Eingang und Ausgang ein verbunden, deren zweiter Eingang 27 den Ausgang Rückkopplungskondensator 21 eingeschaltet ist; am des Impulsgenerators 11 aufnimmt und dessen AusEingang liegt ein in Serie geschalteter Widerstand 22. gang 28 den Eingang 14 des Impulszählers 12 erregt. Die Integrationsschaltung ist an sich bekannt, so daß io Das UND-Tor 26 öffnet im Anschluß an einen Torsich eine eingehendere Erklärung ihrer Wirkungsweise impuls aus dem Komparator 24 und erlaubt dann erübrigt. Bei dem erfindungsgemäßen Umwandler die Weitergabe von Impulsen aus dem Impulsgenerator können auch andere geeignete Integriereinrichtungen zum Eingang 14 des Impulszählers während der verwendet werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, Dauer eines solchen Torimpulses. Wenn jedoch kein welches dem Zeitintegral eines an ihn angelegten Ein- 15 Torimpuls von dem Schwellwertschalter eingeht, ist gangssignals über einen gegebenen Zeitraum pro- das Tor geschlossen, und die Eingangsimpulse des portional ist. Um die Kontrolle über das Intervall der Impulsgenerators können dann nicht zum Eingang Integrationszeit zu erleichtern, weist die Integrations- des Impulszählers gelangen.

schaltung 18 vorzugsweise einen Schalter 23 auf, Die Schaltung ist so gesteuert, daß Eingangsimpulse welcher entweder mechanisch oder elektronisch aus- 20 an den Eingang der Integrationsschaltung 18 angebildet sein kann und im Nebenschluß zu dem gelegt werden und zur Erzeugung eines digitalen AusKondensator 21 liegt. Wenn der Schalter 23 sich in gangs aus dem Impulszähler 12 führen, welcher der geschlossenen Stellung befindet, wie es in F i g. 1 repräsentativ ist für das Verhältnis der Zeitintegrale dargestellt ist, ist der Kondensator 21 kurzgeschlossen, der Eingangssignale. Dabei wird ein erstes Signal an und die Integrationsschaltung ist unwirksam, so daß 25 den Integrationskreis angelegt, welchem ein zweites kein Ausgang erzeugt wird, selbst wenn ein Signal an Signal von entgegengesetzter Polarität folgt, und zwar ihrem Eingang angelegt wird. Wenn sich der Schalter in einem Zeitpunkt, in dem der Zähler 12 eine Volljedoch in geöffneter Stellung befindet, arbeitet der zählung registriert. Das erste Signal kann beispielsKondensator 21 wirksam mit dem Verstärker zu- weise von einer Analogsignalquelle 29 und das zweite sammen, und die Integrationsschaltung wird ver- 30 Signal von einer Bezugssignalquelle 30 erzeugt werden, anlaßt, ein Ausgangssignal zu liefern, welches für das Ein Schalter 31, der mechanisch oder elektronisch Zeitintegral eines angelegten Eingangssignals repräsen- ausgebildet sein kann, ist vorzugsweise mit dem tativ ist. Eingang der Integrationsschaltung 18 gekoppelt. Der

Die Schaltung arbeitet so, daß Impulse von dem Schalter weist Kontakte 32 bzw. 33 auf, welche mit Impulsgenerator 11 zu dem Eingang 14 des Impuls- 35 Klemmen entgegengesetzter Polarität der Analogzählers 12 weitergegeben werden, wenn der integrierte signalquelle 29 und der Bezugssignalquelle 30 verAusgang der Integrationsschaltung 18 einen vor- bunden sind. Beispielsweise kann Kontakt 32 mit der gegebenen Schwellenpegel hat. Die Weitergabe von negativen Klemme der Analogquelle 29 verbunden Impulsen wird so lange fortgesetzt, wie der integrierte sein, während Kontakt 33 mit der positiven Klemme Ausgang von dem Schwellenpegel in einer gegebenen 40 der Bezugsquelle 30 verbunden ist, wie es in F i g. 1 Richtung abweicht. Die Weitergabe von Impulsen dargestellt ist; die positive bzw. negative Klemme wird beendet, wenn der integrierte Ausgang seine der Analogquelle und Bezugsquelle sind beispielsRichtung umkehrt und durch diesen Schwellenpegel weise gemeinsam an Erde gelegt. In einer Stellung des hindurchgeht, wobei eine Rückkehr des integrierten Schalters ist Kontakt 32 mit dem Eingang der Inte-Ausgangssignals zu dem Schwellenpegel dadurch er- 45 grationsschaltung verbunden und kann das Signal von reicht wird, daß ein zweites oder Bezugssignal an den der Analogquelle dorthin leiten, während in der Eingang der Integrationsschaltung angelegt wird, anderen Stellung des Schalters der Kontakt 33 mit wobei die Polarität dem des ersten Eingangssignals ent- dem Eingang der Integrationsschaltung verbunden gegengesetzt ist, wie nachfolgend noch beschrieben ist, so daß dann das Signal von der Bezugsquelle wird. Es stehen verschiedene Einrichtungen zur Ver- 5° angelegt wird, und zwar mit der dem Analogsignal fügung, um zu erreichen, daß Impulse während eines entgegengesetzten Polarität. Der Schalter 31 ist vorZeitintervalls weitergegeben werden, welches zwischen zugsweise durch einen Flip-Flop- oder Kippkreis 34 aufeinanderfolgenden Zeiten liegt, in denen der Aus- gesteuert, dessen »Hin«-Eingang mit dem Vollzählunggang der Integrationsschaltung durch einen vor- Ausgang 16 des Impulszählers 12 verbunden ist, und gegebenen Schwellenwert geht. Beispielsweise können 55 dessen »Rück«-Eingang 35 in noch zu beschreibender verschiedene Vergleichsschaltungen (Schwellwertschal- Weise erregt wird. Der Ausgang des Kippkreises ter) verwendet werden, um einstellende und aus- steuert den Schalter 31, wie es in F i g. 1 durch die stellende Impulse im Anschluß an aufeinanderfolgende gestrichelte Linie 36 angedeutet ist. In dem »Rück«- Durchgänge eines vorgegebenen Schwellenwertes mit Zustand des Kippkreises, welcher im Anschluß an Hilfe des integrierten Ausganges zu erzeugen. Die 60 eine Erregung des »Rück«-Einganges 35 auftritt, wird einstellenden und ausstellenden Impulse können dann der Schalter 31 so gestellt, daß der Kontakt 32 mit verwendet werden, um einen getasteten Impulsgene- dem Eingang der Integrationsschaltung verbindet und rator zu steuern, der als Generator 11 zu verwenden ist. das Signal aus der Analogquelle 29 anlegt. In dem Vorzugsweise erzeugt jedoch ein Pegelschwellwert- »Hin«-Zustand des Kippkreises, welcher sich einstellt, schalter 24, welcher mit dem Ausgang der Integra- 65 wenn ein die Vollzählung anzeigender Impuls an den tionsschaltung 18 gekoppelt ist, einen Ausgangs- »Hin«-Eingang des Kippkreises von dem Vollzählung-Torimpuls, welcher dann entsteht, wenn das Aus- Ausgang 16 des Zählers angelegt wird, wird der gangssignal der Integrationsschaltung durch einen Schalter 31 so gestellt, daß er Kontakt 33 mit dem

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Eingang der Integrationsschaliung verbindet, so daß das Signal aus der Bezugsquelle 30 dorthin gelangen kann. Es wird also das Bezugssignal an den Eingang der Integrationsschaltung 18 angelegt, wenn ein Vollzählungs-Ausgang des Impulszählers 12 auftritt.

Damit der Umwandler in aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen arbeiten kann, sind Vorkehrungen getroffen, um ihn vor der Einleitungjedes nachfolgenden Arbeitszyklus periodisch zurückzustellen. Der Impulszähler 12 muß auf eine vorgegebene Anfangszählung zurückgestellt werden, der Schalter 31 muß in die Lage zurückversetzt werden, in der er den Kontakt 32 mit dem Eingang der Integrationsschaltung 18 verbindet, und der Schalter 23 muß wieder in die geschlossene Lage versetzt werden, bevor ein weiterer Arbeitszyklus auf Grund einer öffnung des Schalters 23 eingeleitet wird. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise ein Flip-Flop oder eine Kippschaltung 37 vorgesehen, deren Ausgang den Schalter 23 steuert. Die Kippschaltung hat »Hin«- und »Rück«-Eingänge 38 und 39, die bei entsprechender Erregung »Hin«- und »Rück«- Ausgangszustäne der Kippschaltung 37 bewirken, welche den offenen bzw. geschlossenen Stellungen des Schalters 23 entsprechen. Eine die Rückstellung und den Anlauf bewirkende Schaltung 41 hat einen »Rück«- Ausgang 42, welcher an den »Rück«-Eingang 17 des Impulszählers 12, den »Rück«-Eingang 35 der Kippschaltung 34 und den »Rück«-Eingang 39 der Kippschaltung 37 gemeinsam angeschlossen ist. Die für die Rückstellung und den Anlauf vorgesehene Schaltung 41 weist ferner einen Start-Ausgang 43 auf, welcher mit dem »Hin«-Eingang 38 der Kippschaltung 37 verbunden ist. Die für die Rückstellung und den Anlauf vorgesehene Schaltung 41 kann dem Typ nach beispielsweise denjenigen Einrichtungen entsprechen, wie sie normalerweise mit digitalen Anzeigeapparaten od. dgl. zusammenarbeiten, gekoppelt mit dem Digitalausgang 13, um angeschlossene Einrichtungen zu steuern. Unabhängig von der im besonderen Fall verwendeten Art der für die Rückstellung und den Anlauf verwendeten Einrichtung 41 besitzt diese die Fähigkeit, periodisch einen Impuls zu erzeugen. Die vordere Flanke dieses Impulses kann für die Rückstellung und die hintere Flanke für den Start verwendet werden. Nach Eingang der vorderen Flanke des Impulses werden der »Rück«-Eingang 17 des Zählers 12, der »Rück«-Eingang 35 der Kippschaltung 34 und der »Rück«-Eingang 39 der Kippschaltung 37 erregt, und gleichzeitig wird (1) der Impulszähler auf eine vorgegebene Anfangszählung rückgestellt, (2) der Schalter 31 in diejenige Lage versetzt, in der er Kontakt 32 mit dem Eingang der Integrationsschaltung verbindet, und (3) Schalter 23 in die geschlossene Stellung versetzt. Nach Ablauf eines kurzen Zeitintervalls, nach Durchgang der hinteren Flanke des Impulses, erregt die die Rückstellung und den Anlauf bewirkende Einrichtung 41 den »Hin«-Eingang 38 der Kippschaltung 37, welche ihrerseits den Schalter 23 in die offene Lage versetzt, so daß der Umwandler in Tätigkeit gesetzt wird.

Es wird nun die Wirkungsweise der Schaltung gemäß F i g. 1 an Hand eines besonderen Falles beschrieben. Die Analogsignalquelle 29 legt ein Gleichstromsignal konstanter Höhe (+F₁) an den Kontakt 32 des Schalters 31, während die Bezugssignalquelle 30 ein zweites Gleichstromsignal entgegengesetzter Polarität von der Höhe V₂ an den Kontakt 33 des Schalters 31 legt. In F i g. 3 sind die entsprechenden Linien-

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züge bzw. Schwingungsformen dargestellt, welche die Zustände an den verschiedenen Punkten der Schaltung bei Bestehen der genannten Eingangssignale zeigen. Linienzug 44 beschreibt den Zustand des Schalters 23, und Linienzug 46 den des Schalters 31. Im Anfang befindet sich der Schalter 23 in geöffneter Stellung-SO und der Schalter 31 in der Stellung S₃₃, wobei der Kontakt 33 mit dem Eingang der Integrationsschaltung 18 verbunden ist. Diese Anfangsschaltbedingungen herrschen bei Vollendung eines Arbeitszyklus der Schaltung, bevor ein Rückstellimpuls 47 durch die Rückstell- und Anlaufschaltung 41 erzeugt wird. Bei Erzeugung eines solchen Rückstellimpulses 47, im Zeitpunkt Ir (Zeit der Vor- »5 derflanke des Impulses 47), werden der »Rück«- Eingang 17 des Impulszählers 12, der »Rück«-Eingang 35 der Kippschaltung 34 und der »Rück «-Eingang 39 der Kippschaltung 37 erregt und bewirken die Rückstellung der Schaltung für einen nachfolgenden ae Arbeitszyklus. Der Impulszähler wird auf eine vorgegebene Anfangszählung versetzt, die im vorliegenden Fall als Null angenommen wird, während die Kippschaltungen 34 und 37 eine Betätigung der Schalter 31 und 23 derart bewirken, daß diese die Stellungen S₃₂ »5 und 5c einnehmen. In der Stellung S₃₂ des Schalters 31 ist Kontakt 32 mit dem Eingang der Integrationsschaltung 18 verbunden und legt das Signal (+ V₁) an. S_c bezeichnet die geschlossene Stellung des Schalters 23; der Schalter23 schließt daher im Zeitpunkt^ den Kondensator 21 kurz und entlädt ihn dabei, so daß die Einleitung eines nachfolgenden Integrationszyklus vorbereitet ist. Im Anschluß an die rückwärtige Flanke des Impulses 47 im Zeitpunkt t₀, der kurze Zeit nach dem Zeitpunkt tR folgt, erregt die Rückstell- und Anlaufschaltung 41 den »Hin«-Eingang 38 der Kippschaltung 37, so daß der Schalter 23 in seine offene Stellung S₀ versetzt wird. Es wird daher im Zeitpunktr₀ die Integrationsschaltung 18 in Betrieb gesetzt, während das Eingangssignal (+ V₁) an ihrem Eingang liegt. Am Ausgang der Integrationsschaltung wird das Zeitintegral des Eingangssignals (+K₁) erzeugt; es ist im vorliegenden Fall ein geneigtes Signal 48, dessen Neigung den Wert

hat, wobei R der Wert des Widerstandes 22 und C die Kapazität des Kondensators 21 der Integrationsschaltung 18 ist. RC ist die Zeitkonstantei₁ des Generators des geneigten Signals in Zeiteinheiten. Im Zeitpunkt t_x gelangt das geneigte Signal 48 durch einen vorgegebenen Schwellenwert Vt des Komparator 24. Wie bereits beschrieben, erzeugt der Schwellwertschalter einen Ausgangs-Torimpuls 49, wenn die Pegel des integrierten Signals an seinem Eingang den Schwellenwert in einer gegebenen Richtung übersteigen. Im Zeitpunkti₁ beginnt daher der Schwell wertschalter-Ausgangsimpuls 49, und das UND-Tor 26 öffnet daraufhin. Ab Zeitpunkt I₁ wird nun eine Reihe von Impulsen 51 von dem Impulsgenerator 11 durch das UND-Tor zum Eingang 14 des Impulszählers 12 weitergegeben und dabei gezählt. Nach einem Zeitraum T₁, welcher von t_x bis t₂ dauert, haben die Impulse 51 den digitalen Ausgang 13 des Impulszählers auf den Wert der Vollzählung gebracht, und es wird daher ein das Erreichen der Vollzählung angebender Impuls von dem Zählerausgang 16 zum »Hin«-Eingang der Kippschaltung 34 geleitet. Die Kippschaltung 34 versetzt nunmehr den Schalter 31 in seine Stellung S_z3, in der der Kontakt 33 mit dem

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Eingang des Integrationskreises 18 verbunden ist und das Signal V₂ von der Bezugsquelle 30 dort anlegt. Das Signal V_ss, das die entgegengesetzte Polarität wie das Signal (+ V₁) hat, bewirkt die Erzeugung des Zeitintegrals des Signals V₂, im vorliegenden Fall einer geneigten Linie 52, am Ausgang der Integrationsschaltung. Das geneigt verlaufende Signal 52

hat eine Neigung von entgegengesetzter Polarität

wie das geneigt verlaufende Signal 48. Das Signal 52 ändert sich daher von einem Pegel V_x, welcher von dem Signal 48 im Zeitpunkt t₂ erreicht wurde, bis zu dem vorgegebenen Schwellenwert Vt in einem Zeitpunkt^. Der Torimpuls 49 des Schwellwertschalters 24 ist in diesem Zeitpunkt beendet und daher ebenfalls die Weitergabe von Impulsen 51 aus dem Impulsgenerator 11 zum Eingang 14 des Impulszählers. In diesem Zeitpunkt registriert der digitale Ausgang 13 des Impulszählers eine Zählung von JV Impulsen. Diese Impulse sind registriert worden in dem Zeitraum T₂ zwischen den Zeiten t₂ und t₃, da in dem Zeitpunkt t₂ der Zähler von einer Vollzählung auf Null verschoben worden ist.

Der Zeitraum T₁ hängt mit der Vollzählung F des Impulszählers 12 und der Impulsfrequenz /„ des Impulsgenerators 11 durch die Beziehung zusammen:

T₁ = -j- . Eine entsprechende Beziehung besteht Jo

zwischen der Impulszählung N, dem Zeitraum T_z

und der Impulsfrequenz /₀: T₂ = -j-. Die Diffe-

/0

renz Δ V zwischen dem Wert V_x und dem Wert Vt

V T

wird errechnet durch die Gleichung: AV= .

Wenn man den Wert für T₁ einsetzt, erhält man V F

AV- . In entsprechender Weise kann errechnet Wo

V. T.

werden:^ V= und bei Auflösung nach T₂

κ c

a ν rc

erhält man: T₂ = —^—. Bei Substituierung für

*i

AViT_a = -~3SIr- — Xy^- · Setzt man die errechne-

VF N

ten Werte für T₂ gleich, so erhält man: = -^-.

Multipliziert man nun noch beide Seiten der Gleichung mit /„, so läßt sich N ausdrücken durch die Gleichung:

N = -γτ-F. Es zeigt sich also, daß die Zählung JV,

die in dem digitalen Ausgang 13 des Impulszählers 12 registriert wird, repräsentativ ist für das Verhältnis der Eingangssignale V₁ und V₂ und auch für das Verhältnis der Zeitintegrale dieser Signale VJt und V₂It. Von besonderer Bedeutung ist die Feststellung, daß der digitale Ausgang N unabhängig von allen Parametern der Umwandlerschaltung einschließlich des Widerstandes R und der Kapazität C der Integrationsschaltung 18 und der Frequenz /„ des Impulsgenerators 11 ist. Außerdem kann gezeigt werden, daß für Eingangssignale von Formen, die von dem konstanten Pegel abweichen, die digitale Ausgangszählung N des Impulszählers noch proportional dem Verhältnis der Zeitintegrale der beiden Signale und unabhängig von den Parametern der Umwandlerschaltung ist.

Obwohl in dem obigen Beispiel davon ausgegangen war, daß die Rückstell-Anfangszählung des Zählers 12 Null war, kann auch eine vorgegebene Anfangszäh-

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lung verwendet werden, die nicht gleich Null ist, wobei Vor- und Nachteile auftreten können. Es sei der Fall betrachtet, daß die wichtigste Ziffer eines dezimalen Digitalausgangs 13 des Zählers 12 entweder eine Eins oder eine Null ist, welche der Zählung einer Zahl von zunehmend weniger wichtigen Dezimalziffern vorausgeht, beispielsweise 4 Dekaden, und die Vollzählung des Zählers ist dann 19999 oder in Wirklichkeit 20000, wenn der Zähler von der VolI-zählung auf die Nullzählung umschaltet. Unter diesen Umständen ist es vorteilhaft, eine Anfangszählung zu verwenden, die gleich der Hälfte der Vollzählung ist, und nicht eine Anfangszählung von Null, also im vorliegenden Fall eine Anfangszählung von 10000. Dann wird die Gesamtzeit, die für einen Integrationszyklus erforderlich ist, herabgesetzt, da der Zeitraum T₁, welcher der Umschaltung von einem Eingangssignal zum anderen vorausgeht, halbiert wird. Während des Zeitintervalls T₁ wird der Zähler nur über die Hälfte seiner Vollzählung betätigt und nicht über die ganze Vollzählung. Der Pegel, in dem die Richtung des integrierten Ausgangssignals aus der Integrationsschaltung 18 durch Schaltung von einem Eingangssignal zum anderen umgekehrt wird, ist daher relativ niedriger als der Pegel, den es in einem Zeitraum erreichen würde, der gleich dem Doppelten des Intervalls ist. Der Zeitraum T₂, welcher erforderlich ist, damit das integrierte Ausgangssignal wieder durch den Schwellenwert Vt gelangen kann, ist daher ebenfalls geringer und damit auch die gesamte Integrationszeit der Schaltung. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Verwendung einer Anfangszählung in Höhe der halben Vollzählung dadurch, daß die Gesamtzählung JV unmittelbar anzeigt, welches von den Eingangssignal-Zeitintegralen das größte ist. Wenn also die wichtigste Ziffer der Ausgangszählung TV Null ist, ist das zweite angelegte Eingangssignal größer als das erste, da der Integrationszeitraum T₂ des zweiten Signals kleiner ist als der Integrationszeitraum T₁ des ersten. Man braucht also weniger Zeit für das Integral des zweiten Signals als es für das Integral des ersten Signals erforderlich ist, um eine Änderung zwischen den gleichen Pegeldifferenzen zu durchlaufen. Wenn im umgekehrten Fall die wichtigste Ziffer der Ausgangszählung TV eine Eins ist, ist der zweite Zeitraum T₂ größer als der erste Zeitraum T₁, und das Zeitintegral des ersten Eingangssignals ist daher größer als das Zeitintegral des zweiten Eingangssignals. Bei der Schaltung gemäß F i g. 1 ist der Schwellenwert Vt, bei dem die Weitergabe von Impulsen von dem Impulsgenerator 11 zu dem Impulszähler 12 eingeleitet wird, verschieden von Null. Für die meisten Anwendungen ist dies von Vorteil, da es außerordentlich schwierig ist, einen Schwellwertschalter darzustellen, dessen Null-Schwellenwert bei längerem Gebrauch nicht Abweichungen erleidet. Jedoch kann der Fall auftreten, daß der Komparator bei kleinen Eingangssignalen nicht auf das Zeitintegral eines Eingangssignals mit sehr geringem Pegel anspricht oder zumindest eine unerwünscht lange Zeit benötigt wird, bis ein Arbeitszyklus durchgeführt ist. Betrachtet man in diesem Zusammenhang F i g. 3, so erkennt man, daß in dem Fall, daß das Eingangssignal mit im wesentlichen konstantem Pegel V₁ einen äußerst geringen Wert hat, das resultierende integrierte geneigte Ausgangssignal einen extrem langen Zeitraum braucht, um von dem Wert Null zu dem Schwellenwert Vt zu gelangen. Wenn daher der Umwandler bei Eingangs-

Claims

Signalen mit außerordentlich kleinem Pegel verwendet werden soll, wird die Schaltung gemäß F i g. 1 zweckmäßig in der Weise geändert, wie es F i g. 2 darstellt. In der in F i g. 2 dargestellten abgeänderten Ausführungsform sind gleiche Elemente, wie sie auch in der Schaltung nach F i g. 1 verwendet sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der angeänderten Schaltung ist ein Schwellwertschalter 24' vorhanden, welcher einen Ausgangsimpuls erzeugt, wenn ein an ihn angelegtes Eingangssignal durch Null geht. Der Schwellwertschalter 24' ist also ein Nullpegel-Schwellwertschalter. Der Ausgang der Integrationsschaltung 18 ist mit dem Eingang des Schwellwertschalters 24' gekoppelt, während dessen Ausgang mit dem »Rück«-Eingang 39 der Kippschaltung 37 steuernd verbunden ist. Der »Rück«-Eingang der Kippschaltung wird also nicht mehr durch die Rückstellungs- und Anlaufschaltung 41 gesteuert, obwohl der »Hin«-Eingang 38 der Kippschaltung noch mit dem Start-Ausgang 43 der Rückstellungs- und Anlauf- »o schaltung verbunden ist. In gleicher Weise arbeitet die Kippschaltung 37 noch mit dem Schalter 23 zusammen und steuert ihn. Jedoch ist der Ausgang der Kippschaltung 37 nun auch mit dem Eingang 25 des UND-Tors 26 verbunden. Auf diese Weise wird infolge der Triggerung der Kippschaltung 37 bei Anlegen der rückwärtigen Flanke eines durch die Rückstellungs- und Anlaufschaltung 41 erzeugten Impulses an den »Hin«-Eingang 38 der Kippschaltung der Schalter 23 geöffnet und die Integrationsschaltung 18 eingeschaltet. Gleichzeitig öffnet der Ausgang der Kippschaltung 37 das UND-Tor 26 und hält es offen, bis die Kippschaltung dadurch rückgestellt wird, daß ein Impuls an seinem »Rück«-Eingang 39 auftritt. Die Weitergabe von Impulsen aus dem Impulsgenerator 11 zu dem Zähler 12 wird daher in demjenigen Zeitpunkt eingeleitet, in dem das Zeitintegral eines Eingangssignals den Pegel Null hat. Ein solcher einleitender Null-Pegel am Ausgang der Integrationsschaltung 18 hat keine Wirkung auf den Schwell- wertschalter 24', da das Signal nicht durch Null geht, jedoch dort beginnt. Anschließend arbeitet die abgeänderte Schaltung gemäß F i g. 2 in gleicher Weise, wie es bereits in Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben wurde; das zweite Eingangssignal entgegengesetzter Polarität wird an den Eingang der Integrationsschaltung angelegt, sobald eine Vollzählung am Impulszähler 12 erfolgt ist. Wenn das Zeitintegral des zweiten Eingangssignals durch Null geht, erzeugt der Schwellwertschalter 24' einen Ausgangsimpuls, welcher dann an den »Rück«-Eingang 39 der Kippschaltung 37 angelegt wird und diese in den »Rück«-Zustand triggert. Das UND-Tor 26 wird geschlossen, sobald die Kippschaltung rückgestellt ist, so daß die Weitergabe von Impulsen von dem Impulsgenerator 11 zu dem Impulszähler 12 beendet wird; die Zählung, die an dem Digitalausgang 13 in diesem Zeitpunkt erscheint, ist daher repräsentativ für das Verhältnis der Zeitintegrale der beiden Eingangssignale. Außerdem versetzt der »Rück«-Zustand der Kippschaltung den Schalter 23 in die geschlossene Stellung, so daß die Integrationsschaltung 18 in die Ruhestellung versetzt wird. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können im Rahmen des Erfindungsgedankens weitere geeignete Abänderungen vorgenommen werden. Patentansprüche:

1. Verfahren zur digitalen Darstellung des Zeitintegralwertes einer elektrischen Größe, bei dem der Ausgang eines Impulsgenerators, der eine Folge von Impulsen mit gleichen zeitlichen Abständen erzeugt, periodisch mit einem Impulszähler zum Zählen dieser Impulse über einen bestimmten Zeitraum gekoppelt wird und die Kopplung von dem Ausgang einer Integrationsschaltung gesteuert wird, welche ein dem Zeitintegral eines Eingangssignals proportionales Ausgangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Eingangssignal einer ersten Polarität an die Integrationsschaltung angelegt wird, daß das erste Eingangssignal während eines ersten Zeitintervalls integriert wird, so daß ein erstes integriertes Ausgangssignal erzeugt wird, daß der Ausgang des Impulsgenerators an den Impulszähler angelegt wird, wenn das erste integrierte Ausgangssignal einen ersten Pegel erreicht, daß die Zählung der Impulse bei einem vorgegebenen Wert beginnt, wenn das erste integrierte Ausgangssignal sich während des ersten Zeitintervalls von dem ersten Pegel zu einem zweiten Pegel ändert, daß das erste Eingangssignal getrennt und ein zweites Eingangssignal mit entgegengesetzter Polarität an die Integrationsschaltung angelegt wird, wenn der Impulszähler eine volle Zählung erreicht, daß das zweite Eingangssignal, beginnend mit einem von der Beendigung des ersten Zeitintervalls abhängigen Zeitpunkt, integriert wird und dadurch ein zweites integriertes Ausgangssignal erzeugt wird, welches sich von dem zweiten Pegel während eines zweiten Zeitintervalls, das unmittelbar auf das erste Zeitintervall folgt auf den Wert des ersten Pegels ändert, und daß der Ausgang des Impulsgenerators von dem Impulszähler getrennt wird, wenn das zweite integrierte Ausgangssignal den ersten Pegel erreicht, so daß die Zählung der Impulsfolge beendet wird und der endgültige digitale Ausgang des Impulszählers das Verhältnis der Zeitintegrale des ersten und zweiten Eingangssignals repräsentiert.

2. Verfahren zur digitalen Darstellung des Zeitintegralwertes einer elektrischen Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangszählung des Zählers auf der Mitte zwischen der Nullzählung und der Vollzählung liegt.

3. Verfahren zur digitalen Darstellung des Zeitintegralwertes einer elektrischen Größe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Integration, also in der Integrationsschaltung, kapazitive Speicher verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen