DE1905176B2 - Verfahren zur analog-digital-umsetzung mit verbesserter differentiallinearitaet der umsetzung und anordnung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Der Gegenstand des Hauptpatents betrifft ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung, bei dem die Meßspannung einen Speicher auflädt und in einem ersten Verfahrensschritt die Anzahl von in der Meßspannung enthaltenen Einheitsspannungen gezählt und eine Restspannung zwischen der Summe der Einheitsspannungen und der Meßspannung gebildet wird und in einem folgenden Verfahrensschritt die Anzahl von in der Restspannung enthaltenen kleineren Einheitsspannungen mit entsprechend geringerem Gewicht gezählt wird und wobei der Speicher während des ersten Verfahrensschrittes in an sich bekannter Weise zeitlinear und während einer ganzen Anzahl von Taktimpulsen bis auf eine gegenüber der Meßspannung negative Restspannung umgeladen wird und während des folgenden Verfahrensschrittes der Speicher mit gegenüber dem vorhergehenden Schritt geringerer Entladegeschwindigkeit um die Restspannung entladen wird, wobei die Taktimpulse mit den Entladegeschwindigkeiten entsprechenden Gewichten belegt und in einer der Polarität der Speicherspannungen entsprechenden Richtung gezählt werden.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet, das die Differentiallinearität der nach dem Verfahren des Hauptpatents vorgenommenen Umsetzung verbessert. Unter Differentiallinearität wird die relative Differenz der Kanalbreiten des Analog-Digital-Umsetzers verstanden. Ist der Analog-Digital-Umsetzer Bestandteil eines Vielkanalimpulshöhenanalysators, dann ist für die Einordnung der einzelnen Impulshöhen in den richtigen Kanal hauptsächlich die Differentiallinearität maßgebend.

Eine Verbesserung der Differentiallinearität bei einem eingangs beschriebenen Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine aus einer der Entladung des Speichers um die Restspannung dienenden Quelle abgeleitete zeitlineare Spannung vor dem ersten Verfahrensschritt der Analogspannung im Speicher in von der Anzahl der nacheinander umzusetzenden Analogwerte gesteuertem Maße als Zusatzspannung hinzugefügt und gleichzeitig dem Zähler eine entsprechend bewertete

Anzahl von Zählimpulsen aufgegeben wird.

Auf diese Weise wird jeder einzelne von nacheinander umzusetzenden Analogwerten mit einer anderen Stelle des Digital-Maßstabes vergliciien und dadurch etwa vorliegende differentielle Linearitätsfehler ausge- 5

mittelt .... .

Das Maß der jeweils zu einem umzusetzenden Analogwert hinzuzufügenden Zusatzspannung wird mit Hilfe einer über einen Vergleich des Zählerinhalts mit dem Inhalt eines zusätzlichen, die jeweils abgelaufende io Anzahl der nacheinander umzusetzenden Analogwerte registrierenden Zählers gesteuerten Nachlaufsteuerung bestimmt. Der zusätzliche Zähler ist zweckmäßig von Hand voreinstellbar und stellt sich nach Erreichen der voreingestellten Zahl selbsttätig zurück. Weiter werden 15 beim Nulldurchgang der Speicherspannung Schalter vorbereitet, die vom nächsten Zählimpuls betätigt werden und die den jeweils betrieb-bereiten Eingang des Zählers sperren, die Änderungsrichtung der Speicherspannung und die Geschwindigkeit der Ände- 1.0 rung umschalten und einen Zählereingang mit entsprechend niedrigerer Wertigkeit öffnen

Bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptpatent werden die Eingangsanalogwerte einer ersten Kippstufe zugeführt, die den 25 Analogwert-Speicher sperrt und die Ihrerseits eine zweite Kippstufe ansteuert, die eine erste Stromquelle an den Analogwert-Speicher schaltet und den Eingang des Zählers mit der höheren Wertigkeit, für die Taktimpulse freigibt. Die bereits genannten Schalter 3,0 bestehen ihrerseits aus einer dritten Kippstufe, welche von einem Differenzverstärker vorbereitet und mit den Zählimpulsen angesteuert wird und welche die zweite Kippstufe zurückstellt sowie aus einer vierten Kippstufe die von der dritten Kippstufe vorbereitet und von den Zählimpulsen angesteuert wird und die mittels eines UND-Gatters an dessen anderen Eingang die Zahlimpulse anliegen, den Zählereingang mit der niedrigeren Wertigkeit freigibt. .

Diese Anordnung nach dem Hauptpatent wird zur Verbesserung der Differentiallinearität der Umsetzung derart weitergebildet, das der Ausgang der ersten Kippstufe mit dem Eingang einer Verzögerungsstufe über einen Umschalter verbunden ist, dessen andere Auseangsklemme über ein mit einem zweiten Eingang am Ausgang der vierten Kippstufe liegenden ODER-Gatter mit dem UND-Gatter vor dem Zählereingang mit der niedrigeren Wertigkeit sowie einem Steuereineang der der Restumladung dienenden Quelle verbunden ist, und der von einer Vergleichsschaltung fur die Inhalte beider Zähler derart gesteuert ist, daß, wenn der Inhalt des Zusatzzählers größer ist als der Inhalt des anderen Zählers die mit dem ODER-Gatter verbundene Ausgangsklemme des Umschalters an den Ausgang der ersten Kippstufe angeschlossen ist, und wenn der Inhalt des Zusatzzählers gleich oder kleiner als der des anderen Zählers ist, die Ausgangsklemme des Umschalters am Eingang der Verzögerungsstufe mit dem Ausgang der ersten Kippstufe verbunden ist. Zweckma-Big wird das ODER-Gatter vom Generator fur du Zählimpulse getaktet.

An Hand zweier Fig. 1 und 2, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung bzw. einen

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Erfindung näher erläutert.

im Blockschaltbild der F i g. 1 lädt ein Meßwert /, der dem Eingang E des Analog-Digital-Umsetzers zugeführt wird, einen Analogwert-Speicher SP bis auf die Meßwertspitzenspannung auf. Der Speicher SP behält diese Ladung über eine bestimmte Zeit bei. Der Meßwert / wird ferner einem Differentiationsglied DF zugeführt, mit dem das Maximum eines impulsförmigen Meßwertes / zeitlich festgestellt wird. Dieses Differentiationsglied liefert einen Impuls, dessen Dauer konstant und etwas größer als das Intervall zwischen zwei Zählimpulsen ist Die Vorderflanke dieses Impulses fällt mit dem Maximum des Meßimpulses / zeitlich zusammen. Mit der Rückflanke wird eine Kippstufe Fi, die immer vorbereitet ist, getriggert Der Ausgang dieser Kippstufe F_t wird über ein ODER-Gatter G» an einen Eingang des Analogwert-Speichers SP angeschlossen, über den durch Zuführen eines Signals der Speicher SPfür weitere Meßimpulse /gesperrt werden kann. Das Vorschalten der Differentiationsstufe DF vor die Kippstufe Fi ist eine besonders zweckmäßige Anordnung. Jedoch kann auch auf das Differentiationsglied DF verzichtet werden, insbesondere dann wenn nicht Impulshöhen, sondern konstante Meßspannungen verschlüsselt werden. Mit dem Ausgangsimpuls der Kippstufe Fi wird eine Kippstufe F2 vorbereitet. Vorteilhaft ist zwischen die beiden Kippstufen ein Verzögerungsglied VZ geschaltet. Der Ausgang der ersten Kippstufe Fi ist mit dem Eingang der Verzögerungsstufe VZ über einen Umschalter WS verbunden. Der Umschalter WS wird von einer Vergleicherschaltung VG gesteuert, an deren Eingangsklemmen jeweils der Gesamtinhalt eines Zählers Z und eines Zusatzzählers ZZ anliegt. Ist der Inhalt des Zählers Z gleich oder größer dem Inhalt des Zählers ZZ, dann wird die Kippstufe F₂ nach Vorbereitung durch die Rückflanke eines Taktimpulses, der von einem Taktgenerator TG geliefert wird, getriggert.

Von nun an läuft der Meßvorgang synchron mit den Taktimpulsen ab. Die Kippstufe Fi schaltet eine Stromquelle Si an den Speicher SP, so daß dieser mit einem konstanten Strom entladen wird. Das Verzögerungsglied VZ sorgt dafür, daß die Entladung erst dann einsetzt, wenn der Speicher durch die Kippstufe Fi für weitere Meßimpulse gesperrt ist.

Bis zum Beginn der Entladung wird die Ausgangsspannung des Speichers Sf durch einen Speicherkondensator festgehalten. Nach dem Entladungsgesetz eines Kondensators bleibt das Verhältnis der Spannungsabnahme des Speichers SP zu den gespeicherten Spitzenwerten der Meßimpulse / während dieser Zeit konstant. Aus demselben Grunde hat auch die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes VZ keinen Einfluß auf das Meßergebnis.

Mit dem Auftreten des Ausgangsimpulses der Kippstufe F₂ wird gleichzeitig die Stromquelle Si an den Speicher SP geschaltet und das UND-Gatter G₂ freigegeben, so daß die Impulse aus dem Taktgenerator TG, der eine sehr konstante Taktfrequenz besitzt, über das UND-Gatter Gi auf den Eingang Veines Zählers Z gelangen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Zähler Z, der ein sogenannter Vor-Rückwärtszähler ist, zwei Zähleingänge. Impulse, die über den Eingang V zugeführt werden, werden im Zähler aufsummiert und Impulse, die über den Eingang R zugeführt werden, weiden von der im Zähler stehenden Zahl subtrahiert.

Die Taktimpulse, die über den Eingang V zugeführt werden haben aber einen anderen Gewichtsfaktor als die über den Eingang R zugeführten.

Die Vorwärtszählung mit dem höheren Gewichtsfaktor, die nach dem Umschalten der Kippstufe F₂

begonnen hat, wird so lange fortgesetzt, bis die Ausgangsspannung des Speichers SP, die durch die Entladung seines Speicherkondensators mit dem konstanten Strom aus der Stromquelle Si linear abnimmt, einen negativen Wert erreicht hat. Beim Nulldurchgang der Spannung am Speicherkondensator wird nämlich eine Kippstufe F₃ vorbereitet, die durch die Rückflanke des nächsten Taktinipulses nach der Vorbereitung umgeschaltet wird. Mit dem Ausgangsimpuls dieser dritten Kippstufe F₃ wird über ein ODER-Gatter Gj die zweite Kippstufe F₂ zurückgesetzt, so daß das UND-Gatter Gz gesperrt wird und der Entladungsstrom des Speichers SP aus der Stromquelle S\ abgeschaltet wird. Dieser Entladungsvorgang wird in Fig.2 für eine analoge Größe A dargestellt Dabei entspricht dem steilen Zweig der dick ausgezogenen Speicherspannungskurve D ein Entladestrom Pi aus der Quelle S\ und dem flachen Zweig ein Ladestrom / aus einer Quelle Si. Danach ist die Zahl der eingezählten Impulse 3, die, mit dem Gewichtsfaktor multipliziert, im Zähler steht. Diese Zahl ist jedoch zu groß, in Wirklichkeit liegt sie zwischen 2 und 3, jeweils mit dem Gewichtsfaktor multipliziert. Der Zählerstand muß daher noch durch Rückwärtszählen erniedrigt werden, wobei die Taktimpulse mit geringeren Gewichten belegt werden.

Nach dem Abschalten der Stromquelle 5) steht am Ausgang des Speichers SP eine konstante negative Spannung. Diese Spannung ist ein Maß für eine Zahl, um die der Inhalt des Zählers erniedrigt werden muß. Hierzu ist ein zweiter Verfahrensschritt erforderlich.

Mit dem Umschalten der dritten Kippstufe F₃ wird nicht nur die zweite Kippstufe Fz zurückgesetzt, sondern auch eine vierte Kippstufe Ft vorbereitet. Mit der Rückflanke des ersten Taktimpulses nach dem Vorbereiten schaltet die Kippstufe F₄ um, wodurch die Stromquelle & an den Speicher geschaltet und über ein UND-Gatter G₃ Taktimpulse an den Eingang R des Zählers durchgeschaltet werden. Zwischen dem UND-Gatter Gi und dem Ausgang der Kippstufe F₄ liegt ein ODER-Gatter G? derart, daß sein Ausgang mit dem einen Eingang des UND-Gatters G₃ und mit dem Steuereingang der Stromquelle Si verbunden ist. Eine zweite Eingangsklemme des ODER-Gatters Gi ist mit einer zweiten Ausgangsklemme des Umschalters WS verbunden. Außerdem ist das ODER-Gatter Gi mit einer Einrichtung versehen, die es gestattet, die Schaltweise des Gatters von den Zählimpulsen takten zu lassen. Die Wirkung des ODER-Gatters G₇ zusammen mit dem Umschalter WS wird weiter unten näher erläutert Der Strom aus der Stromquelle S₂ lädt den Speicherkondensator in entgegengesetzter Richtung wie der Strom aus der Quelle Si um und ist um den Gewichtsfaktor kleiner als der Strom aus der Quelle S\. Die Ströme aus den beiden Stromquellen Si und & werden über einen Nullindikator miteinsnder verglichen und die Differenz wird so ausgeregelt daß eventuell Änderungen der beiden Stromquellen dieselbe Tendenz aufweisen und ihr Verhältnis stets gleich dem Gewichtiifaktör bleibt

Über das UND-Gatter G₃ wird der Inhalt des Zählers durch die Taktimpulse zurückgezählt Diese Rückwärtszählung dauert so lange, bis die Ausgangsspannung des Speichers SP wieder positiv ist Der Nulldurchgang der Spannung wird mittels eines Nullindikators NL festgestellt

Mit dem Nulldurchgang der Spannung am Speicherkondensator wird durch die Vorderflanke des vom Nullindikator gelieferten positiven Impulses eine fünfte bistabile Kippstufe F₅ getriggert, die durch die Ausgangsspannung des Verzögerungsgliedes vorbereitet ist und die mit der Vorderflanke ihres Ausgangsimpulses die Kippstufen Fi, F2, F₃ und F₄ zurücksetzt, den Speicher entlädt, über das Gatter G₄ den Speicher für weitere Meßimpulse sperrt und die Ausgabe des Meßergebnisses veranlaßt. Mit dem Rücksetzen der Kippstufe F₄ wird das UND-Gatter G₃ für weitere Zählimpulse gesperrt und die Stromquelle S2 abgeschaltet. Zweckmäßig ist zwischen die Kippstufe F5 und die Kippstufen F₃ und F₄ ein ODER-Gatter G₆ geschaltet, dessen anderer Eingang von der Verzögerungsstufe VZ bzw. der ersten Kippstufe Fi gespeist wird. In dem Ausführungsbeispiel steuert die Kippstufe F₅ eine immer vorbereitete monostabile Kippstufe MF an, die vom Ausgangsimpuls der Kippstufe F₅ getriggert wird und die Ausgabe des Zählergebnisses und die Löschung des Zählers bewirkt. Damit ist der Verschlüsselungsvorgang für einen Meßimpuls / beendet und der Analog-Digital-Umsetzer für die Bearbeitung des nächsten Impulses vorbereitet.

Beim nächsten Meßimpuls muß zuerst die Kippstufe Fs, die den Analog-Digital-Umsetzer über das Gatter G₄ in seinem Sperrzustand hält, zurückgesetzt werden. Dies wird durch den Eingangsimpuls /, der in einem Verstärker VS verstärkt wird, über ein NOR-Gatter G₅ erreicht. Die Kippstufe F₅ muß zurückgesetzt werden, bevor der Meßimpuls seinen Spitzenwert erreicht hat, damit nach dem öffnen der Speicherstufe noch soviel Zeit zur Verfügung steht, daß der Speicher noch auf den Spitzenwert des Meßimpulses aufgeladen werden kann. Im folgenden soll die Wirkungsweise der Vergleicherschaltung VG des Umschalters WS und des ODER-Gatters Gi näher erläutert werden. Die beiden Eingänge der Vergleicherschaltung VG sind jeweils mit den Ausgängen der beiden Zähler Zund ZZ verbunden. Vor Beginn jeder Messung ist der Zähler Zleer. Der Zähler ZZkann von Hand oder durch eine Programmierung, die nicht näher dargestellt ist, mit einer Zahl voreingestellt werden, derart, daß, wenn die in den Zähler aufgelaufene Zahl die voreingestellte Zahl erreicht hat, sich der Zähler selbsttätig auf Null stellt und den Zählvorgang wiederholt Der Eingang des Zählers ZZ wird von den Analog-Digital-Umsetzer zugeführten Meßimpulsen über eine Verstärkerschaltung gesteuert. Dazu dient die Verbindung vom Ausgang der Verstärkerschaltung VS zum Eingang des Verstärkers ZZ. Vor Beginn einer Messung sind beide Zählerinhalte gleich. Das dabei auftretende Ausgangssignal der Vergleicherschaltung VG schaltet den Umschalter WS derart, daß das Ausgangssignal der ersten Kippstufe Fi am Eingang der Verzögerungsstufe VZ liegt Tritt nun ein Meßimpuls auf, so wird er im Zähler ZZ aufgenommen. Beide Zählerinhalte sind deshalb ungleich, der Inhalt von Zl überwiegt den Inhalt von Z. Die Vergleicherschaltung VG steuert den Umschalter um, so daß jetzt der Ausgang der ersten Kippstufe Fi mit dem einen Eingang der ODER-Schaltung G₇ verbunden ist Das Ausgangssignal der ODER-Schaltung G₇ öffnet das UND-Gattei G₃ für die Zählimpulse, die nun den Eingang R de; Zählers Z beaufschlagen. Gleichzeitig wird durch das Ausgangssignal des ODER-Gatters G₇ die Stromquelle S2 angesteuert die den Speicher SP zusätzlich zum dor gespeicherten Meßimpuls / mit einem Sägezahn se lange auflädt bis die beiden Zählerstände gleid geworden sind. In diesem Augenblick schaltet dai Ausgangssignal der Vergleicherschaltung VG der Umschalter WS wieder um, so daß jetzt da;

^T-fc'

Ausgangssignal der ersten Kippstufe Fi wieder direkt der Verzögerungsschaltung VZ zugeführt wird und der normale Ablauf der Umsetzung mit dem ersten Verfahrensschritt beginnt. (Fig.2, Entladungskurve 1) Beim nächsten auftretenden Meßimpuls wird dem Speicher SP eine Zusatzspannung hinzugefügt, die der Wertigkeit von zwei Impulsen entspricht, die gleichzeitig auf die vorhin geschilderte Weise dem Rückwärtseingang des Zählers Z zugeführt werden. (Entladungskurve 2 in F i g. 2) Wird der Analog-Digital-Umsetzer als Bestandteil eines Mehrkanalimpulshöhenanalysators verwendet, so kann man die Voreinstellung des Zählen ZZ entsprechend einem Teil oder der ganzen Kanalzah wählen. Wenn z. B. der Zähler ZZ auf die Zahl / voreingestellt wird, kann der Analog-Digital-Umsetzei zur Verarbeitung einer analogen Größe A nach F i g.'. (n+\) verschiedene Entladungsvorgänge durchführen Diese Entladungsvorgänge laufen in einer Reihenfolg« hintereinander ab. Der gesamte Vorgang wiederhol

ίο sich nach (n +1) Abläufen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709!

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung, bei dem die Meßspannung einen Speicher auflädt und in einem ersten Verfahrensschritt die Anzahl von in der Meßspannung enthaltenen Einheitsspannungen gezählt und eine Restspannung zwischen der Summe der Einheitsspannungen und der Meßspannung gebildet wird und in einem folgenden Verfahrensschritt die Anzahl von in der Restspannung enthaltenen kleineren Einheitsspannungen mit entsprechend geringerem Gewicht gezählt wird, wobei der Speicher während des ersten Verfahrensschrittes in an sich bekannter Weise zeitlinear und während einer ganzen Anzahl von Takiimpulsen bis auf eine gegenüber der Meßspannung negative Restspannung umgeladen wird und während des folgenden Verfahrensschrittes der Speicher mit gegenüber dem vorhergehenden Schritt geringerer Entladegeschwindigkeit um die Restspannung entladen wird, wobei die Taktimpulse mit den Entladegeschwindigkeiten entsprechenden Gewichten belegt und in einer der Polarität der Speicherspannungen entsprechenden Richtung gezählt werden, nach Patent Nr. 1298546, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Differentialünearität eine aus einer der Entladung des Speichers (SP) um die Restspannung dienenden Quelle (S₂) abgeleitete zeitlineare Spannung vor dem ersten Verfahrensschritt der Analogspannung im Speicher (SP) in von der Anzahl der nacheinander umzusetzenden Analogwerte (I) gesteuertem Maße als Zusatzspannung hinzugefügt und gleichzeitig dem Zähler (Z) eine entsprechend bewertete Anzahl von Taktimpulsen aufgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine über eine.n Vergleich des Zählerinhalts mit dem Inhalt eines zusätzlichen, die jeweils abgelaufende Anzahl der nacheinander umzusetzenden Analogwerte (I) registrierenden Zähler (ZZ) gesteuerte Nachlaufsteuerung das Maß der jeweils zu einem umzusetzenden Analogwert (I) hinzuzufügenden Zusatzspannung bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Zähler (ZZ) voreinstellbar ist und nach Erreichen der voreingestellten Zahl selbsttätig rückgestellt wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, bei der Eingangs-Analogwerte einer ersten Kippstufe zugeführt werden, die den Analogwert-Speicher sperrt und die ihrerseits eine zweite Kippstufe ansteuert, die eine erste Stromquelle an den Analogwert-Speicher schaltet und den Eingang des Zählers mit einer höheren Wertigkeit für die Taktimpulse freigibt, sowie einer dritten Kippstufe, die von eine!« Differenzverstärker vorbereitet und mit den Zählimpulsen angesteuert wird und welche die zweite Kippstufe zurückstellt, sowie einer vierten Kippstufe, die von der dritten Kippstufe vorbereitet und von den Zählimpulsen angesteuert wird und die mittels eines UND-Gatters an dessen anderen Eingang die Zählimpulse anliegen, den Zählereingang mit der niedrigeren Wertigkeit freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der ersten Kippstufe (F\) mit dem Eingang einer Verzögerungsstufe (VZ) über einen Umschalter (WS) verbunden ist dessen andere Ausgangsklemme über ein mit einem zweiten Eingang am Ausgang der vierten Kippstufe (Fa) liegenden ODER-Gatter (G₁] mit dem UND-Gatter (G₃) vor dem Zählereingang (R) mit der niedrigeren Wertigkeit sowie einem Steuereingang der der Restumladung dienenden Quelle (S₂) verbunden ist, und der von einer Vergleichsschaltung (VG) für die Inhalte beider Zähler (Z) und (ZZ) derart gesteuert ist, daß, wenn der Inhalt des Zusatzzählers (ZZ) größer ist als der Inhalt des anderen Zählers (Z), die mit dem ODER-Gatter (Gi) verbundene Ausgangsklemme des Umschalters (WS) an den Ausgang der ersten Kippstufe (F\) angeschlossen ist, und wenn der Inhah des Zusatzzählers (ZZ) gleich oder kleiner als der des anderen Zählers (Z)\st, die Ausgangsklemme des Umschalters (WS) am Eingang der Verzögerungsstufe (VZ) mit dem Ausgang der ersten Kippstufe (F_s) verbunden ist

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ODER-Gatter (G₁) von dem Generator (TG) für die Zählimpulse getaktet ist.