DE2016634C3 - Analogdigitalumsetzer - Google Patents

Description

60

Die Erfindung betrifft einen Analogdigitalumsetzer t einer eingangsseitigen integrierenden Verstärkerife zur periodischen Aufwärts-Abwärtsintegration ier umzusetzenden Gleichspannung unter Kompensan mit Hilfe einer Bezugsspannung und bei der der gitalwert durch Auszählen von Oszillatorimpulsen in Abhängigkeit von der Integration gewonnen wird.

Bei einem bekannten Analogdigitalumsetzer dieser Art erfolgt die Auszählung des Digitalwertes erst dann in einem Auf-Ab-Zyklus, wenn sich nach mehreren solchen Zyklen stabile Verhältnisse eingestellt haben. Die Meßgenauigkeit ist bei diesem bekannten Umsetzer abhängig von der Genauigkeit, mit der sich der stabile Zustand eingestellt hat und auch abhängig von der Genauigkeit, mit der ein einziger Zyklus durch Auszählen vermessen werden kann. Die Messung wird bei diesem bekannten Umsetzer aufgehalten, weil sie erst stattfinden kann, wenn sich der stabile Zustand eingestellt hat

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Umsetzer der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß mit einfachen Schaltmitteln schnell eine genaue Umsetzung durchführbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß aufwärts bis auf ein vorbestimmtes Spannungsniveau und abwärts bis auf ein vorbestimmtes Grundspannungsniveau integriert wird und daß über eine vorbestimmte Umsetzerzeitspanne während der Integrationsabschnitte während derer die Bezugsspannung mitintegriert wird, die Oszillatorimpulse zur Digitalanzeige zusammengezählt werden.

Im einfachsten Fall ist die Bezugsspannung nur während der Abwärtsintegration wirksam. Vorteilhaft ist dem gegenüber unter Umständen jedoch eine Ausgestaltung der Erfindung, die Gegenstand des Anspruchs 3 ist, weil dann unter sonst gleichen Bedingungen der Spannungsbetriebsbereich des Integrators kleiner sein kann, wodurch es erleichtert ist, diesen ausschließlich im linearen Bereich zu betreiben.

Kleine Schwankungen und Ungenauigkeiten der Oszillatorfrequenz gehen mit geringerem Fehler in die Digitalanzeige ein, wenn die Umsetzerzeitspanne durch fortlaufendes Auszählen der Oszillatorimpulse abgemessen wird.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Impulsdiagramm zu F i g. 1,
F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel nach der Erfindung und

Fig. 4 ein Impulsdiagramm zu Fig. 3.
Gemäß Fi g. 1 gelangt eine umzusetzende Spannung an den Eingangsanschluß P. Gleichzeitig erzeugt das zentrale Steuergerät K ein Startsignal, das an einer Integrator /, einen Speicher M und einen Detektor L gelangt und diese Schaltglieder zurückschaltet und außerdem an Torschaltungen G1 und G 3 gelangt und diese sperrt. Sobald die Ausgangsspannung des Integrators / ein bestimmtes Niveau erreicht, gelangi ein Signal entsprechender Polarität von dem Detektoi D an die Spannungsquelle E und die Torschaltung G1 Die Spannungsquelle E erzeugt daraufhin eine feste Bezugsspannung, deren Polarität zu der Polarität dei am Eingangsanschluß P eingespeisten Spannung umge kehrt ist. Gleichzeitig wird die Torschaltung G1 geöffnet, so daß die Bezugsspannung an die Additionsschaltung A gelangen kann. Die Differenz zwischen dei am Eingangsanschluß P eingespeisten Spannung unc der Bezugsspannung gelangt dann in den Integrator I Da die Bezugsspannung entsprechend groß genug ist sinkt die durch Integration entstandene Ausgangsspan nung des Integrators / daraufhin ab. Die Bezugsspan nung gelangt auch durch die Torschaltung G 1 an die

verters C ist, dann gilt für den digitalen Wert π der im Indikator Hangezeigt wird

η = /(r, + r, +
Weiterhin gilt

e_xT - e.iti +h+

I_n) ± kV

(D

(2)

Torschaltung G 2, die daraufhin öffnet Die Ausgangssnannung eines Bezugsoszillators O gelangt daraufhin durch die geöffnete Torschaltung G 2 hindurch an einen Zähler N und dieser Zähler beginnt die Ausgangsimpul_je des Bezugsoszfllators O zu zählen. Sobald die Ausgangsspannung des Integrators auf ein vorbestimm_tes Niveau abgesunken ist gelangt wiederum ein Signal von dem Detektor D an die Torschaltung Gl, die daraufhin geschlossen wird, so daß nur noch die am Eingangsanschluß P eingespeiste Spannung in den Integrator / gelangt Gleichzeitig fällt auch die Spannung am Steuereingang der Torschaltung G 2 ab, 50 daß diese Torschaltung schließt und der Zähler N auf der erreichten Zählung stehen bleibt Die Ausgangsspannung des Integrators / steigt nun wieder an und sobald diese Ausgangsspannung ein bestimmtes Niveau erreicht entsteht wieder ein Signal am Detektor D, das die Torschaltung G t wiederum öffnet Die Folge ist, daß wiederum die Differenz zwischen der am Eingangsanschluß P eingespeisten Spannung der Bezugsspannung an den Integrator / gelangt dessen Ausgangsspannung nun wieder abfällt, währenddessen der Zähler N erneut beginnt, die Ausgangsimpulse des Bezugsoszillators O zu zählen. Die Ausgangsspannung _el und die Eingangsspannung eO des Integrators /sind in Fig·2 aufgetragen. Die am Eingangsanschluß P eingespeiste Spannung ist mit ex bezeichnet die Bezugsspannung ist mit es bezeichnet, mit ί ist die Zeit

bezeichnet und mit ν 1 und vO sind die für die Funktion im weitgehend linearen Bereich betrieben werden. Aus des Detektors D kritischen Spannungsniveaus bezeich- 30 dem gleichen Grunde kann auch das Geräuschniveau

net. Mit r2, f 2 in sind die Zeitperioden bezeichnet. --¹-- -^:-^j-^:- —>--'- — -■ — «-= -■-- j:-:—i—

während derer die Torschaltung G1 geöffnet ist und die Differenzspannung zwischen der Eingangsspannung und der Bezugsspannung in dem Integrator / integriert wird. Der Zähler N zählt die in den genannten Zeitperioden /1. /2,..., tn auftretenden Ausgangsimpulse des Oszillators zusammen.

Das Steuergerät K mißt mit Hilfe der Ausgangsimpulse des Bezugsoszillators O die Zeit und sendet ein

«x =	sich	h + '	1	.) ±	V
Wenn gilt	T =	/		Ύ
und		1
	ic =
dann ergibt		ι

= η

(3)

Der gezählte Wert η entspricht mithin der Eingangsspannung e*. Der Arbeitsbereich des Integrators kann sehr klein gehalten werden, mithin kann der Integrator

sehr niedrig gehalten werden. Bei der digitalen Zeitmessung kann man eine Genauigkeit von mehr als 10~⁸ bequem erzielen. Das bedeutet mit anderen Worten, daß das erste Glied der Gleichung 1 leicht mit einer Genauigkeit von 0,5 Teile pro Million gezählt werden kann. Der gezählte Wert des zweiten Gliedes kann kleiner als 1% des gesamten gezählten Wertes für η gemacht werden. Unter diesen Umständen kann man die gesamte Umsetzung leicht bei einer Genauigkeit

Stopsigna! an den Integrator /, sobald eine bestimmte 40 von 0,5 Teile pro Million halten. Selbst im Falle die Zeitspanne Tim Anschluß an das Startsignal verstrichen ■ ··· ■ - · - · - · ~ ■ · «

ist. Der Speicher Mspeichert den integrierten Wert und
die Torschaltung G 3 wird geöffnet Der Speicher M
speichert also einen Spannungswert V gemäß F i g. 2.
Die Ausgangsspannung des Oszillators O gelangt an 45
einen integrierenden oder vergleichenden Analogdigitalumsetzer C woraufhin dieser Analogdigitalumsetzer
die soeben erwähnte Spannung V in einen Digitalwert
umsetzt und eine diesem umgesetzten Spannungswert
entsprechende Anzahl von Impulsen aussendet. Diese 50 Ausgangsspannung des Integrators ein Bezugsniveau

T .. . 1 "1 J- "ff ._T- It -ι. · η . ii.rvl- ■*■-;* J

kritischen Bezugsniveaus vl und vO des Detektors D wie in F i g. 2 dargestellt schwanken, wird die Umsetzungsgenauigkeit nicht beeinflußt. Es ist aus diesem Grunde sehr einfach. Schaltungsanordnungen nach der Erfindung zu produzieren.

Nach dem zweiten an Hand der Fig.3 und 4 zu beschreibenden Ausführungsbeispiel wird ein umzusetzender Wert während einer bestimmten Zeit integriert und während der Integrationszeit wird sobald die

Digitalimpulse gelangen über die geöffnete Torschaltung G 3 an den Zähler N. Wenn aus der Torschaltung GX keine Ausgangsspannung vorliegt, addiert der Zähler diese Digitalimpulse, anderenfalls dagegen subtrahiert er sie. Wenn also gemäß Fig.2 die Zeitspanne T beendet ist, während die Ausgangsspannung des Integrators / ansteigt, dann erfolgt Addition, anderenfalls, wenn also die Zeitspanne Tbeendet ist bei abfallender Integratorausgangsspannung, erfolgt Sub-

erreicht ein Bezugswert umgekehrter Polarität dem zuerst genannten Wert zuaddiert und die Summe wird integriert.

Gemäß F i g. 3 erzeugt das Steuergerät K Ausgangsimpulse ρ und q, die ein bestimmtes Zeitintervall Ts gemäß Zeile a in F i g. 4 begrenzen. Die Zeitspanne Ti wird durch Frequenzteilung aus den Ausgangsimpulsen des Bezugsoszillators O gewonnen. Durch den Impuls wird der Integrator / und der Zähler N vom

traktion. Nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne und 60 zurückgeschalteten Zustand in seinen Betriebszustand

nachdem diese Zählung beendet ist, gelangt von dem Steuergerät K ein Signal an den Indikator H, woraufhin der gesamte gezählte Wert angezeigt wird und im Anschluß daran wird mit einem neuen Startsignal des Steuergerätes der beschriebene Zyklus wiederholt.

Wenn /die Ausgangsfrequenz des Bezugsoszillators Oist und k eine Proportionalitätskonstante ist und kV die Anzahl der Ausgangsimpulse des Analogdigitalkongeschähet, gleichzeitig wird der Schalter So geschlossen. Eine umzusetzende Gleichspannung, die an dem Eingangsanschluß P eingespeist wird, gelangt über den Widerstand Ro an den Integrator / und wird dort integriert. Der Schalter So wird durch Impuls q geöffnet und die Eingangsspannung, wie in Zeile 6 in F i g. 4 angegeben, über den Widerstand Ro an den Integrator / gegeben. Ein Umsetzerbetrieb beginnt also zur Zeit to

mit dem Impuls p. Bei der nun beginnenden Betriebsperiode sind die Schalter Sa, Sb, S'a und S'b sämtlich geöffnet und die Ausgänge der Bezugsspannungsquellen fund E' werden nicht in den Integrator eingespeist t{ wie es in Zeile c in Fig.4 dargestellt ist. Die

V Ausgangsspannung des Integrators / wächst mithin

ic linear in einer Richtung an, die der Polarität der

:i Eingangsspannung entspricht und zwar mit verhältnis-

it mäßig starkem Anstieg, wie in Zeile d in F i g. 4

j\ eingezeichnet. Die Spannungsdetektoren Da bzw. D'a ι ο

j senden Ausgangssignale sobald die integrierte Span-

Ii nung ein entsprechendes Bezugsspannungspotential

il + ν 1 bzw. — ν 1 erreicht. Entsprechend der Darstellung

τ in F i g. 4 gelangt zur Zeit 11 ein Signal vom Detektor

/ Da an das Steuergerät K schließt daraufhin den Schalter

j Sa und die Ausgangsspannung der Bezugsspannungs-

quelle E gelangt über den Widerstand Ra an den

: Integrator /, und zwar zusammen mit der am

τ Eingangsanschluß P eingespeisten Eingangsspannung.

Die Polarität der Bezugsspannung - e ist umgekehrt zu der der Eingangsspannung b. Da die Widerstände Ro

\ und Ra gleich groß sind und die Eingangsspannung ex

einen größeren Absolutwert hat als die Bezugsspannung

r e, steigt die Ausgangsspannung des Integrators /weiter

t an, aber mit geringerer Steigung. Wenn der Detektor

D'a ein Ausgangssignal abgibt schließt statt dessen der

( Schalter S'a und die Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle E'gelangt über den Widerstand R'a an den Integrator /, wobei die Bezugsspannung wiederum eine Polarität hat umgekehrt zu der der Eingangsspannung. Zur Zeit f2 erreicht die Ausgangsspannung des Integrators / das Bezugsniveau +v2 (oder — ν2). Sobald dies der Fall ist, gelangt von dem Detektor Db (oder dem Detektor D'b) ein Signal an das Steuergerät K und der Schalter Sb (oder S'b) schließt und die Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle £(oder E') gelangt weiterhin über den Widerstand Rb (oder R'b) an den Integrator /. Die Bezugsspannung an dem Integrator /wächst im wesentlichen auf den Wert — ez. Wenn der Absolutwert der Spannung - ez größer ist als der der Eingangsspannung beginnt die Integratorspannung abzufallen wie in Zeile din F i g. 4 angegeben und erreicht schließlich zur Zeit i3 das ursprüngliche Bezugsniveau. Ist dies der Fall, dann gelangt von dem Niveaudetektor Do ein Signal an das Steuergerät K und die Schalter Sa und Sb werden geöffnet. Es liegt nun mithin nur die am Eingangsanschluß P eingespeiste Eingangsspannung am Integrator / und die integrierte Spannung des Integrators steigt nun wieder mit großer Steigung wie in Zeile din F i g. 4 angegeben an. Zur Zeit f 4 erreicht die Ausgangsspannung des Integrators /das Niveau vi und der Detektor Da liefert wieder ein Signal, so daß der Schalter Sa geschlossen wird und die Eingangsspannung gemeinsam mit einer Bezugsspannung -el an den Integrator gelangt Zur Zeit <5 erreicht di die Ausgangsspannung des Integrators das Bezugsniveau ν 2 und der Detektor Db liefert ein Signal, wodurch der Schalter 56 geschlossen wird und die Ausgangsspannung des Integrators /abzufallen beginnt Zur Zeit f 6 entsteht ein Impuls q, wodurch der Schalter So geöffnet wird und die Eingangsspannung vom Integrator / abgesperrt wird. Die Schalter 5a und Sb sind geschlossen, so daß nur die Bezugsspannung der Bezugsspannungsquelle E an den Integrator / gelangt, dessen Ausgangsspannung daraufhin sehr schnell abfällt und zwar auf das ursprüngliche Bezugspotential, das zur Zeit 17 erreicht wird, woraufhin der Detektor Dn ein Signal erzeugt.

Zu den Zeiten 11, f 4 usw., wenn der Detektor Da ein Signal aussendet, gelangt ein Signal von dem Steuergerät K an den Periodenregulierer F. Der Periodenregulierer F teilt die Perioden der Ausgangsfrequenz des Bezugsoszillators O und erzeugt daraufhin eine Impulsfolge mit der Periode 2, für den Fall, daß wie im Beisbiel die Widerstände Ra und Rb den gleichen Wert haben. Nachdem von dem Detektor Da ein Signal erzeugt wurde, öffnet das Steuergerät K die Torschaltung G mit dem ersten Ausgangsimpuls des Periodenregulierers F. Der Zähler N beginnt nun Zählimpulse der Periode 2 zu zählen. Mit den nächstfolgenden Zeiten 12, i5 und so fort, wenn nämlich ein Signal von dem Detektor Db ausgesandt wird, gelangt ein Signal von dem Steuergerät K an den Periodenregulierer F, das auf eine neue Impulsfolgeperiode, nämlich die Hälfte von 2, also auf eine Impulsperiode umschaltet. Zu den Zeiten f 3, f 7 usw, wenn der Detektor Do ein Ausgangssignal erzeugt, schließt das Steuergerät K die Torschaltung G, und zwar synchron mit den Ausgangsimpulsen des Periodenregulierers F, die im Anschluß an das Signal ausgesendet werden. Der Zähler N zählt also in Impulsfolgen des Periodenregulierers F wie sie in Zeile e in Fig.4 dargestellt sind. Nach dem Ablauf einer bestimmten Zeit im Anschluß an den Impuls q gibt das Steuergerät K ein Signal an den Indikator H, der daraufhin das Zählergebnis π zur Anzeige bringt

Wenn Vdie Ausgangsspannung des Integrators /zur Zeit des Impulses q, wenn Tl die Zeitspanne ist, während derer die Bezugsspannung e 1 zwischen den Impulsen ρ und q an den Integrator gelangt und wenn T2 die Zeit ist, während derer die Bezugsspannung e 2 angelegt ist und k eine geeignete Konstante ist dann gilt

V =k(e_xT,-e₁T₁ -V₂T₂).

Wenn 7"3 die Zeit ist während derer das Bezugspotential e2 im Anschluß an den Impuls q angelegt ist, dann gilt

V=ke₂T₃. (2)

Daraus folgt

e_x = _fe,T_l +C₂[T₂ + T₃). (3)

Wenn π 1 die Anzahl der Zählimpulse in einer Periode 2 ist und η 2 der Anzahl in einer Periode von 1 ist und wenn für die Zeiten Π und (T2+ T3) gilt 2 λ 1 bzw. η 2, dann gilt

e_x = -Qe₁Ti₁ + e

Wenn die integrierten Widerstände Ro, Ra und Rb wie oben vorausgesetzt gleich sind, dann gilt

e₂ =

und daraus folgt

e_x =

Ie₁

n.

Die Eingangsspannung ex wird also in eine Ziffernanzeige η bzw. in einen digitalen Wert π in dem Indikator //umgewandelt und angezeigt

to.

:ein
rgeiliedes
:ine
■ im
'ert
nal
ialreier
12,
em
on
iuf
2,
en
ial
G,
es
al
in
in
jf
)t
:r

r
t,
η η

Eine Menge, die ziffernmäßig zur Anzeige gebracht werden soll, wird demnach über eine bestimmte Zeit zunächst integriert. Wenn während der Integrationsperiode die Ausgangsspannung des Integrators ein bestimmtes Bezugsniveau erreicht, dann wird eine Bezugsspannung umgekehrter Polarität zuaddiert und die Summe integriert. Es sind verschiedene Bezugsniveaus vorgesehen und die Schnelligkeit der Integration wird nach Maßgabe dieser verschiedenen Niveaus bestimmt. Die Folge ist, daß auch in den Fällen, in denen der umzusetzende bzw. numerisch anzuzeigende Wert besonders groß ist, keine sehr große Umsetzungszeit erforderlich ist und auch der Ausgangsspannungsbereich des Integrators braucht nicht sehr groß zu sein, so daß es leicht ist, den Integrator im linearen Bereich zu betreiben. Die Meßgenauigkeit ist deshalb üDer die Integrationszeit Ts verhältnismäßig genau. Für den Fall, daß der umzusetzende Spannungswert kleiner ist, als die Bezugsspannung, sieht man nur ein vorbestimmtes Detektorspannungsniveau vor, so daß also, entsprechend wie in F i g. 2 angegeben, die Aufwärtsintegration mit gleichförmiger Steilheit erfolgt und wenn dieses eine Detektorspannungsniveau erreicht ist, sofort die Abwärtsintegration folgt. Die maximal zulässige Ausgangsspannung des Integrators kann mithin auf das genannte Detektorniveau reduziert werden. Wenn der umzusetzende Wert doppelt so groß ist wie der Bezugswert der addiert wird und auch in Fällen, in denen das Detektorniveau wesentlich kleiner als die Eingangsspannung Vx ausgewählt wurde, kann die zulässige Ausgangsspannung des Integrators nur auf ungefähr Vx/2 ansteigen. Sieht man noch weitere zusätzliche Detektorniveaus vor und nimmt man die Integration entsprechend dieser verschiedenen Niveaus schrittweise vor, dann kann man die maximal zulässige Ausgangsspannung des Integrators noch wesentlich weiter herabsetzen, sonst gleiche Verhältnisse vorausgesetzt. Die Anordnung bemißt man zweckmäßig so, daß für die jeweilig gewählte Betriebsart hinreichend Zeit zum Zählen der Impulse zur Verfügung steht, um eine hinreichend genaue Messung zu erzielen. Wenn man die Torschaltung am Eingang des Zählers unabhängig von den Zählimpulsen öffnet und schließt, dann kann maximal ein Fehler von ± einer Zählung bzw. einem Digit entstehen. Die Fehler von aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen dürften sich in der Regel statistisch ausgleichen, unter Umständen können sie sich aber kumulieren. Dem kann man entgegenwirken indem man die betreffenden Torschaltürigen synchror mit den Zählimpulsen schaltet, d. h. öffnet oder schließt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Analogdigitalumsetzer mit einer eingangsseitigen integrierenden Verstärkerstufe zur periodischen Aufwärts-Abwärts-Integration einer umzusetzenden Gleichspannung unter Kompensation mit Hilfe einer Bezugsspannung und bei der der Digitalwert durch Auszählen von Oszillatorimpulsen in Abhängigkeit von der Integration gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß aufwärts bis auf ein vorbestimmtes Spannungsniveau (vl) und abwärts bis auf ein vorbestimmtes Grundspannungsniveau (vO) integriert wird und daß über eine vorbestimmte Umsetzerzeitspanne (T) während der Integrationssbschnitte (ti, f2, .... tn), während '5 derer die Bezugsspannung mitintegriert wird, die Oszillalortmpulse zur Digitalanzeige zusammengezählt werden.

2. Analogdigitalumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Bezugsspannung nur in den Integrationsabschnitten (f 1, i2, ..„ m) der Abwärtsintegration mitintegriert wird und daß die Oszillatorimpulse für die Digitalanzeige auch nur während der Abwärtsintegrationsabschnitte zusammengezählt werden (Fig. 1,2).

3. Analogdigitalumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgleichspannung bis auf ein erstes vorbestimmtes Spannungsniveau (v\) allein aufwärts integriert wird und daß dann die Eingangsspannung zusammen mit einer eisten Bezugsspannung (el) verlangsamt weiter aufwärts integriert wird, bis ein zweites vorbestimmtes Spannungsniveau (v2) erreicht ist und daß dann die Abwärtsintegration mit Hilfe einer zweiten Bezugsspannung (e2) erfolgt und daß über die vorbestimmte Umsetzerzeitspanne (T)Oszillatorimpulse einer ersten langsamen Frequenz während der Integrationsabschnitte verlangsamter Aufwärtsintegration und Oszillatorimpulse einer zweiten höheren Frequenz während der Abwärtsintegrationsabschnitte zur Digitalanzeige zusammengezählt werden ( F i g. J, 4).

4. Analogdigitalumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzerzeitspanne (T) durch fortlaufendes Auszählen der Oszillatorimpulse abgemessen wird.

5. Analogdigitalumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ende der Umsetzerzeitspanne (T) vorliegende Restspannung des Integrators in an sich bekannter Weise digitalisiert wird und daß diese Digitalisation mit Hilfe der Oszillatorimpulse erfolgt und der ermittelte Digitalwert dem aufgezählten Wert zuaddiert oder subtrahiert wird, je nachdem ob die Umsetzerzeitspanne (T) endete während eines Integrationsabschnittes während dessen eine Bezugsspannung mitintegriert wurde oder nicht.