DE2059862A1 - Analog-Digitalwandler unter Verwendung eines Integrators - Google Patents
Analog-Digitalwandler unter Verwendung eines IntegratorsInfo
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Description
Firma IWASAKI TSUSHINKI KABUSHIKI KAISHA, 1-7-41, Kugayama,
Suginami-Ku, Tokyo-To, Japan
Analog-Digitalwandler unter Verwendung eines Integrators
Die Erfindung betrifft einen Analog-Digitalwandler unter Verwendung eines Integrators, in welchem, nachdem das
eingegebene Analogsignal durch den Integrator während einer konstanten Zeit integriert worden ist, der Eingang des Integrators
auf eine Bezugsspannung übergeschaltet wird, deren Polarität
entgegen der des Eingangs-Analogsignals ist, und die Zeit
zwischen dem Überschaltzeitpunkt des Eingangs des Integrators bis am Ausgang des Integrators ein vorbestimmter Bezugspegel
erreicht wird, wird durch Zähltaktimpulse gemessen, so daß das
Zählergebnis dem Analogwert des Eingangs des Analog-Digitalkonverters
entspricht.
Bei einem üblichen Analog-Digitalwandler dieser Art
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wird eine Eingangsspannung Ei einem Integrator in Abhängigkeit
von der voranlaufenden Kante eines Rechteck-Steuersignals zugeführt, so daß der Ausgang des Integrators proportional dieser
Eingangsspannung Ei variiert. Die Eingangsspannung Ei wird während
einer konstanten Zeitspanne T integriert von einem Zeitpunkt an, in dem am Ausgang des Integrators ein Schwellwert eines
!Comparators erreicht worden ist. Diese Integrierzeit T ist eine genaue Zeitspanne, die durch Abzählen einer Anzahl (z.B.
1000) von Taktimpulsen eingehalten wird,welche von einem Oszillator
mit konstanter Frequenz über ein Zählwerk zugeführt werden.
t Nach dieser konstanten Zeitspanne T wird der Eingang des Inegrators
auf eine Bezugsspannung Es übergeschaltet, was mit Hilfe der nachlaufenden Kante eines Rechteck-Steuersignals erfolgt, so
daß die Ausgangsgröße des Integrators sich nun in umgekehrter Richtung wie in der Zeitspanne T ändert. Der Abfall oder die Steigung
dieser Änderung des Ausgangswertes des Integrators ist proportional der Bezugsspannung Es. Die Zeit Ti vom Schaltaugenblick
des Eingangs des Integrators an bis zu einem Zeitpunkt, an welchem am Ausgang des Integrators wiederum ein Schwellwert des !Comparators
auftritt, wird durch Abzählen von Taktimpulsen mit Hilfe eines während der Zeitspanne Ti zählenden Zählwerkes bestimmt.
Eine umgewandelte Ausgangsgröße wird in Abhängigkeit von diesem Zählergebnis dann erzeugt. Die Zeit Ti ist proportional der Ein-
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Hf 1 1 Iff N
gangsspannung Ei, und die oben angegebenen Werte Ei, Es, T
und Ti haben die folgende Beziehung: (Ei/RC) T = (Es/RC) Ti, wobei der Wert RC eine Zeitkonstante des Integrators ist.
Aus dieser Beziehung kann die Eingangsspannung Ei in folgender Weise bestimmt werden: Ei « Ti/T) Es = k.Ti. "k" ist
darin eine Konstante. Die Eingangsspannung Ei kann also durch ein Produkt der Zeit Ti mit einer Konstanten angegeben
werden, wenn die Zeitspanne T und die Bezugsspannung Es ' Konstante sind. Aus der Gleichung (1) ergibt sich, daß, wenn
ein einziger Integrator und ein einziger Taktimpulszug sowohl
für den Aufladevorgang als auch für den Entladevorgang verwendet werden, Veränderungen der Zeitkonstante RC des
Integrators und geringfügige Schwankungen der Folgefrequenz der Taktimpulse ausgeglichen werden.
Andererseits erzeugen der Eingangsspannung Ei überlagerte
Rauschspannungen Fehler in der umgesetzten Ausgangs- | größe. Fehler, die lediglieh durch periodisch auftretende
Rauschspannungen erzeugt werden, können durch Bestimmung der
Zeitspanne T derart, daß sie ein ganzes Vielfaches der Periode der periodisch auftretenden Rauschspannung ist, ausgeschaltet
werden, wie weiter unten erläutert wird. Wenn die Wiederkehrfrequenz der Taktimpulse f ist, dann ist die Zeit-
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spanne T folgendermaßen anzugeben: T = (1/f.) N, worin N
eine Zahl ist, die der Zahl der Taktimpulse entspricht. Wenn in diesem Fall die Folgefrequenz der überlagerten Störspannung
Über dem Eingangssignal Ei mit f bezeichnet wird, dann kann der durch die Störspannung eingeführte Fehler ausgeschaltet
werden, wenn folgende Beziehung erfüllt wird: (1/f ) K = T, worin K eine ganzzahlige Größe ist. Es können
jedoch nur Fehler ausgeschaltet werden, die durch Rauschspannungen einer bestimmten Folgefrequenz entstehen, so daß
es sehr schwer ist, die gewünschte stabile Arbeitsweise zu erzielen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Analog-Digitalwandler zu schaffen, in welchem die Auswirkungen von
jeglichen periodisch auftretenden Störspannungen, die der Eingangsspannung überlagert sind, ausgeschaltet sind.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Folgefrequenz der Taktimpulse, die zum Zählen der Aufladezeit und
der Entladezeit in dem Analog-Digitalwandler benutzt werden, so bemessen, daß sie variabel ist, während die Folgefrequenz
der Taktimpulse in einem herkömmlichen Analog-Digitalwandler konstant ist.
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Die Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden aus der nun folgenden Beschreibung und einigen in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen klar. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 ein Impils-Zeitdiagramm zur Erläuterung
der Arbeitsweise der in Figur 1 darges t eilten Anordnung;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispieles;
Fig. 4 Impuls-Zeitdiagramme zur Erläuterung
der Arbeitsweise des in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispieles;
Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur j3 verwendeten !Comparators.
Das in Figur 1 gezeigte AusfUhrungsbelsplel der Erfindung enthält
im Integrator 1 einen Schalter S, einen Widerstand 1-1, einen Gleichspannungsverstärker 1-2 und einen Kondensator 1-3*
dem ein Komparator 2, ein Steuerkreis 3» ein UND-Gatter 5 und
ein Zähler 6 nachgeschaltet sind, die sämtlich die gleichen sind wie bei einem herkömmlichen Analog-Digltalwandler. Es
ist jedoch ein variabler Frequenzoszillator 4 vorgesehen anstatt des konstanten Frequenzoszillators herkömmlicher Analog-Digitalwandler.
Außerdem ist neu ein Speicher 7, ein Komparator
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8 und ein variabler Spannungsgenerator 9 vorgesehen. Diese
Schaltkreise werden unten noch im Zusammenhang mit den Impuls-Zeitdiagrammen der Figur 2 beschrieben. Der variable
Frequenzoszillator 4 erzeugt einen Impulszug Wg, dessen' Impulsfolge
entsprechend den Veränderungen einer Ausgangsspannung w,, des variablen Spannungsgenerators 9 sich ändert.
Ist somit die Aus gangs spannung w,., des variablen Spannungsgenerators 9 konstant, so haben die Taktimpulse Wg eine konstante
Folgefrequenz, die von dem variablen Frequenzoszillator
4 erzeugt werden. Dieser variable Frequenzoszillator 4 ist beispielsweise ein Oszillator mit einer Diode mit variabler
Kapazität oder mit einem astabilen Multivibrator, dessen Quellenspannung gesteuert wird.
Der Speicher 7 speichert das Zählergebnis des Zählers 6 in Abhängigkeit von einem Steuersignal w^ und gibt
™ seinen Ausgangswert an den Komparator 8 ab.
Der Komparator 8 vergleicht den gespeicherten Inhalt des Speichers 7 mit dem Zählergebnis des Zählers 6 auf
ein Steuersignal w,q hin und erzeugt einen Ausgangswert ^n*
den er dem variablen Spannungsgenerator 9 zuführt, wenn die beiden Eingangswerte am Komparator 8 voneinander abweichen.
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Der variable Spannungsgenerator 9 erzeugt einen Ausgangswert w,.,, der in seiner Höhe abhängig vom Ausgang W11 des
!Comparators 8 variiert. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung W1-, erhöht sich stufenweise um jeweils eine Spannungsstufe bei
jedem Impuls des Ausgangswertes W11 des !Comparators 8 und kehrt
auf ihren Ausgangs-Spannungswert zurück, wenn der Ausgang W1,
eine vörbestimmte Spannung erreicht. Ein Ausführungsbeispiel . für diesen variablen Spannungsgenerator 9 ist ein Stufengenerator
(sog. staircase-Generator). Die Arbeitsweise dieses AusfUhrungsbeispieles
nach der Erfindung ist nun folgende: die Integration einer Eingangsspannung Ei und einer Bezugsspannung
E erfolgt im Integrator 1 in einer Weise, wie sie auch von den
herkömmlichen Analog-Digitalwandlern vorgenommen wird. Es wird nun angenommen, daß das gemessene Ergebnis während einer Zeitspanne
I im Speicher 7 gespeichert ist und daß der Variable Prequenzoszillator 4 Taktimpulse mit einer Folgefrequenz f
erzeugt. Auf ein Steuersignal w, hin beginnt die Messung der i
nächsten Periode II. Der Ausgangswert W5 des Komparators 2
wechselt im Augenblick ty wenn ein Ausgang W^ des Integrators
1 einen Schwellwert L1 des Komparators 2 erreicht. Der gewechselte
Ausgangswert des Komparators 2 geht im Zeitpunkt t« auf den ursprünglichen Spannungswert zurück, welcher um eine
Zeltspanne T + Ti auf den Augenblick t* folgt, so daß das Zählen
der Taktimpulse Wg durch den Zähler 6 in diesem Zeitpunkt
- 8 -109824M789
t2 beendet ist. In diesem Zustand wird das Meßergebnis aus der
Periode I, das im Speicher 7 gespeichert ist, im Komparator 8 mit dem Meßergebnis der Periode 2 verglichen, welches vom Zähler
6 erhalten wird. Weichen diese zwei Werte voneinander ab, so erzeugt der Komparator 8 einen Impuls w·,,. In Abhängigkeit
von diesem Impuls w.,, erhöht sich die Ausgangsspannung w,, des
variablen Spannungsgenerators 9· Da diese Spannung w,, dem variablen
Prequenzoszillator 4 zugeführt wird, verändert sich die Frequenz fp der Taktimpulse Wg des variablen Frequenzoszillators
4 auf eine Frequenz f, in Abhängigkeit von der Spannungserhöhung des Ausgangs w,-* des variablen Spannungsgenerators 9·
Sind jedoch die beiden Eingangswerte am Komparator 8 einander gleich, so wi)Srd vom Komparator 8 kein Ausgangswert abgegeben,
so daß die Folgefrequenz der Taktimpulse Wg nicht verändert
wird.
P Nach einer Veränderung der Folgefrequeaz,„der Taktim-r
pulse W/- von einer Frequenz fo auf die Frequenz .f-wi,^ die
Messung der Periode III begonnen. Da die Zeit T,t .in, der die
■ . ■ ■ · ■ ■ . ■ .j ι ο '■ ■ -
Eingangsspannung Ei integriert wird, duroh die Zahl der Taktimpulse
w, bestimmt wird, (z.B. 1000 Impulse) ändert sich in diesem Fall auch die Länge der Zeitspanne T. Diese Messungen
werden wiederholt, bis stabile Bedingungen erreicht sind, in
..... -■ ■ ·.■ ■■..- 9 109824/1789
weichen, 'das Meßergebnis einer vorangehenden Periode mit dem
Heßergebnis der unmittelbar folgenden Periode gleich ist.
Mit anderen Worten, die Folgefrequenz der Taktimpulse Wg
ändert sich, bis stabile Bedingungen erreicht sind, und bei diesen stabilen Bedingungen ist die Gleichung 5 erfüllt,
so daß die der Eingangsspannung überlagerten periodischen
Rauschspannungen vollständig eliminiert sind. t
In den Figuren 3, 4 und 5 ist ein weiteren Ausfüh-
■■'."■" . e
rungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es wrden hier nur die Schaltkreisteile beschrieben, die von dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 abweichen. Hier wandelt ein Komparator
8a das Zänlergebnis oder einen Teil des Zählergebnisses des Zählers 6 in ein Analogsignal um und vergleicht dieses
umgewandelte Analogsignal mit einem Analogsignal, das aus aem Inhalt de® Speichers 7 umgewandelt wird, so da£ ein
©Ifferenzsignal ^gg.a einem Impulsgenerator zugeführt wird.
Eis mägliöhesi lusfiöirungsbeispiel des !Comparators 8a enthält, wie es die Figur 5 zeigt, einen Digital-Analogwandler
8-1, der das Zählergebnis des Zählers 6 in ein Analogsignal umwandelt, einen Digital-Analogwandler 8-2, der den Inhalt
des Speichers 7 in ein Analogsignal umwandelt, und einen Differenzialverstärker 8-3, dem eine mögliche Differenz zwischen den Auagangewerten der Digital-Analogwandler 8-1 und 8-2
zugeführt wird. Der Komparator 8a kann ein subtranlerender
109824/1?89 -io- '
Komparator sein, der eine digitale Differenz zwischen den Ausgängen des Zählers 6 und des Speichers 7 erhält, wobei
ein Digital-Analogwandler dem subtrahierenden Komparator nachgeschaltet ist und die Differenz in ein Analogsignal
umwandelt, das eine Polarität aufweist, die dem Vorzeichen der Digitaldifferenz entspricht, und eine Größe, die abhängig
ist vom Absolutwert der Digitaldifferenz. Der Impulsgenerator 10 erzeugt einen Impuls W1,- mit derselben
Polarität wie der Ausgangswert W1 la des !Comparators 8a,
wobei der Spitzenwert dieses Impulses proportional der Größe des Ausgangswertes w,,a des !Comparators 8a ist. Der
Impulsgenerator 10,kann beispielsweise ein Zerhacker sein. Die anderen Schaltkreis-Elemente sind dieselben wie bei
dem in Figur 1 dargestellten Beispiel. Während des Betriebes nimmt der Ausgang wlla des !Comparators 8a einen Wert
L2 (z.B. Mill) an, wenn sich die beiden Eingangswerte des
Komparators gleichen. Im {übrigen kann die Arbeitsweise dieses
Ausführungsbeiispiels analog derjenigen des Ausführungsbeispieles nach Figur 1 verstanden werden« so daß sich weitere
Ausführungen erübrigen.
Die gewünschte Analog-Digltalumwandlung kann also gemäß der Aufgabe der Erfindung durchgeführt werden, ohne
daß in den Eingangswerten des zu integrierenden Signals ent-
109824/178S " U "
haltene Rauschspannungen Einfluß gewinnen können. Außerdem
kann schnell sowohl von zu langen als auch von zu kurzen Integrationszeiten eine optimale Integrationszeit erreicht wer
den.
- 12 - , 109824/1789
Claims (4)
- PATENTANSPRÜCHEί) Analog-Digitalwandler, in welchem nach Integration eines Eingangsanalogsignals durch einen Integrator während einer konstanten Zeitspanne der Eingang des Integrators auf eine Bezugsspannung übergeschaltet wird, deren Polarität derjenigen des Eingangsanalogsignals entgegengerichtet ist, und in welchem die Zeitspanne vom Überschaltzeitpunkt des Eingangs des Integrators bis zu dem Zeitpunkt, in welchem der Ausgang des Integrators einen vorbestimmten Wert erreicht hat, durch Taktzählimpulse gemessen wird, so daß das Zählergebnis dem Analogwert des Eingangsanalog-Digitalwandlers entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktimpulse(w^) durch einen variablen Frequenzoszillator(4) erzeugt werden und der Wandler einen Speicher (7) zum Speichern des Zählergebnisses eines Zählers (6) aufweist bis zum unmittelbar folgenden Z lvorgang der Taktimpulse, ferner einen Komparator (8; 8a) zum Vergleich des im Speicher (7) gespeicherten Zählergebnisses mit dem Zählergebnis des Zählers (6), sowie einen variablen Spannungsgenerator (9), der einen Ausgangswert Cw1-,) erzeugt, welcher sich in seiner Größe stufenweise um eine Stufe in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis des !Comparators ändert, so daß die Polgefrequenz der Taktimpulse (w^) durch den Ausgangswert (W1,) des variablen Spannungsgenerators (9) so lange verändert109874/1789 - 13 -wird, bis die zwei Eingangswerte am Komparator (8)(8a) einander gleich sind, wodurch die Auswirkungen von der Eingangsspannung überlagerten Störspannungen beliebiger Folgefrequenz wirksam ausgeschaltet sind.
- 2. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8) einen Impuls (W11) nur dann erzeugt, wenn die zwei Eingangswerte voneinander abweichen, so daß der Ausgang (w^) des variablen Spannungsgenera tors (9) sich um eine Stufe in Abhängigkeit vom Impuls (W11) des Komparators (8) ändert und die Stufenkurve auf ihren Ausgangswert zurückkehrt, nachdem sie einen vorbestimmten Wert erreicht hat (Figur 1).
- 3. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8a) ein Differenzsignal (W11 ) mit einer Polarität erzeugt, die vom Vorzeichen der Digitaldifferenz zwischen den beiden Eingangswerten des Komparators (8a) abhängt, und daß ein Impulsgenerator (10) zur Erzeugung eines Impulses (^1 j~) vorgesehen ist, dessen Polarität von der Polarität des Differenzsignals (W1la) abhingt, wobei der ImpOls (W1c) dem variablen Spannungsgenerator (9) zugeführt wird (Figur J>).109824/1789
- 4. Analog-Digitalwandler nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8a) einen ersten Digital-Analogwandler (8-1) aufweist, der das Zählergebnis des Zählers (6) in ein erstes Analogsignal mit einem Pegelwert umwandelt, der dem Zählergebnis des Zählers (6) entspricht, einen zweiten Digital-Analogwandler (8-2), der den gespeicherten Inahalt eines Speichers (7) in ein zweites Analogsignal umwandelt, dessen Pegelwert dem gespeicherten Inhalt des Speichers (7) entspricht, und ein Differentialverstärker (8-3) vorhanden ist, der ein Analogsignal mit einer Polarität erzeugt, die der Polarität der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Analogsignal entspricht (Figur 5)·109824/1789
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ID=26438953
Family Applications (1)
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