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Analog-Digital-Wandler Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Wandler
mit einem Nullverstrker für die Differenz zwischen einer Analogspannung und einer
vom Zählerstand eines Zäh--lers für die Ausgangsimpulse eines dem Nullverstärker
nachgeschalteten Spannungs-Frequenz-Umsetzers abgleiteten Kompensationsspannung.
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In der deutschen Auslegeschrift 1 448 920, Klasse 62d, 10/00, ist
ein Analog-Digital-Wandler mit den vorstehend aufgeführten Merkmalen beschrieben.
Die Kompensationsspannung wird bei dem bekannten Wandler in einem Digital-Anslog-Konverter
erzeugt, der vom jeweiligen Zählerstand des Zählers für die Ausgangsimpulse des
Spannungs-Frequenz-Umsetzers gesteuert ist. Derartige Digital-Analog-Eonverter sind
entweder aus Präzisionswiderständen oder aus induktiven Präzisionswicklungen aufgebaut,
sie sind deshalb technisch aufwendig und teuer.
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Aus der ACTA .ECHNIGA GSAV, 1970, No. 2, Seiten 103 bis 105 ist ein
Digital-Analog-Konverter bekannt, bei dem zwei Zähler über eine Vergleichsschaltung
miteinander verknüpft sind, wobei ein Ausgangssignal der Verlgleichsschaltung die
Koinzidenz der Zählerinhalte anzeigt. Der eine Zähler wird von einem Generator mit
einer Taktimpulsfolge beschickt, Der andere Zähler wird von Impulsen mit ungleichmäßiger
Impulsfolge beaufschlagt. Das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung und ein Übertrags
signal des erstgenannten Zählers steuern wechselweise ein Flip-Flop, an dessen Ausgang
über ein Filter eine Gleichspannung abgenommen werden kann, die ein analoges Abbild
des im zweiten Zähler momentan eingegebenen digitalen Wertes darstellt.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen eingangs beschriebenen
Analog-Digital-Wandler zu schaffen, bei dem anstelle des aufwendigen Digital-Analog-Konverters
der aus der zweiten Literaturstelle bekannte, einfachere, im Zeitbereich umsetzende
Digital-Analog-Konverter verwendet werden kann.
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Die gestellte Aufgabe wird bei einem Analog-Digital-Wand-1er mit einem
Nuilverstärker für die Differenz zwischen einer Analogspannung und einer vom Zählerstand
eines Zählers für die Ausgangsimpulse eines dem Nullverstärker nachgeschalteten
Spannungs-Frequenz-Umsetzers abgeleiteten Kompensationsspannung dadurch gelöst,
daß gemäß der Erwindung in an sich bekannter Weise die Dekaden des Zählers mit Eingängen
einer digitalen Vergleichsschaltung verbunden sind und andere Eingänge der Vergleichsschaltung
an entsprechenden Dekaden eines zwei-ten, mit seinem Zähler eingang an einen Taktgenerator
angeschlosflenen Zählers liegen und ein einen Übertragsimpuls der höchsten Bekade
des Taktimpulszählers führender Zählerausgang an einen der beiden Eingänge eines
bistabilen Schalters und der einen die Übereinstimmung beider Zählerstände markierenden
Impuls führende Ausgang der digitalen Vergleichsschaltung an den anderen Eingang
des bistabilen Schalters angeschlossen sind, und daß der Schalter im Stromkreis
eines Widerstandes liegt, an dem die Kompensationsspannung abfällt, Der Analogspannung
wird also eine impulsbreitenmodulierte Rechteckspannung entgegengeschaltet, deren
Periode der Zählzeit des Taktimpulszählers entspricht und deren veränderliciies
Tastverhältnis von einem, mit Hilfe der Vergleichsschaltung festgestellten Zeitpunkt
der Übereinstimmung der Inhalte des Taktimpulszählers und des die Ausgangsimpulse
des Spannungs-Frequenz-Umsetzers aufnehmenden Zählers bestimmt ist. Die Analogapannung
wird dadurch als Verhältnis zweier Zählerstände ausgedrückt. Dabei ist
der
bekannte aufwendige -Di.gital-nnalog-Wandler durch einen Taktimpulszähler und eine
digitale Ve-rgleichsschaltung ersetzt worden. Derartige Bauelemente sind in integrierter
Technik sehr wirtschaftlich zu fertigen.
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Zweckmäßig wird dem Nullverstärker ein Glättungsfilter vor geschaltet,
das die Mittelwertbildung verbessert. Ebenso ist dem Ausgang des Nullverstärkers
ein Tiefpaß nachgeschaltet, mit dessen Hilfe unerwünschte dynamische Analogwertschwankungen
ausgesiebt werden können.
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Als Sannungs-Frequenz-Umsetzer wird entweder ein bipolarer Taktimpulsgeber,
vorzugsweise aber ein vorzeichenempfindlicher Umsetzer eingesetzt, Als nachgeschalteter
Zähler ist ein Vorwärts-Rückwärtszähler vorgesehen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der
bistabile Schalter aus mindestens einem über ein Flip-Flop gesteuerten Schalttransistor.
Als Kompenisationsstrom wird mit Vorteil ein gleichgerichteter Wechselstrom rechteckiger
Wellenform verwendet.
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Als Zählzeit für den Taktimpulszähler wird zweckmäßig ein ganzzahliges
Vielfaches der Periode des Rechteckförmigen Wechselstromes gewählt. Dies kann durch
Synchronisation des Taktgenerators mit der Wechselstromfrequenz erreicht werden.
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Mit Vorteil wird der Schalttransistor erst um einige Zähltakte nach
dem Vollzählen des Taktimpulszählers in den Leitfähigkeitszustand geschaltet.
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Eine bevorzugte Anwendung findet der Analog-Digital-Wand-1er bei einer
Digitalwaage, die mindestens eine Wägezelle mit einer Brückenschaltung aus Dehnungsmeßstreifen
aufweist, wobei die Brückenschaltung und der Kompensationsstromkreis über Stromwandler
gespeist werden, deren Primärwicklungen in Reihe liegen.
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Zur Erhöhung der Anzeigeempfindlichkeit bei der Uberprüfung der Nullstellung
der Waage wird mit Vorteil zwischen den einen Übertrags impuls führenden Ausgang
des Taktimpulszählers und einen der beiden Eingänge des bistabilen Schalters eine
Untersetzerschaltung eingefügt.
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Bei einer abgewandelten Anwendung des Analog-Digital-Wandlers für
eine Digitalwaage ist der Übertragsausgang des Takt,impulszählers nicht mit dem
Eingang des bistabilen Schalters verbunden, vielmehr ist dieser Eingang an den Ausgang
einer zusätzlichen digitalen Vergleichsschaltung angeschlossen, mit Hilfc welcher
der Inhalt des Taktimpulszählers und der Inhalt eines Speichers für das Taragewicht
miteinander verglichen werden.
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Die Erfindung wird in der nachfolgenden eingehenden Ecschreibung anhand
von drei Figuren näher erläutert.
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Figur 1 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Blockschaltbild
dar.
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Figur 2 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Analog-Digital-Wandlers
nach Figur 1.
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Figur 3 zeigt ei.n Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem einzelne
Schaltungselemente so abgewandelt sind, daß die Erfindung bei einer digitalen Tarawaage
verwendet werden kann.
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In Figur 1 ist der Ausgangsdiagonalspannung Um eines Meßgrößenauufnehmers
DMS eine Kompensationsspannung Uk entgegengeschaltet, die an einem Widerstand R
abfällt. Die Speisediagonale des Meßgrößenaufnehmers DMS wird mit einem Speisestrom
IS' beschickt, der einem Vollweggleichrichter GL1 entnommen wird. Der Vollweggleichrichter
GL1 ist an eine Sekundärwicklung eines Stromwandlers TR1 mit der Übersetzung ül
angeschlossen. Die Primärwicklung des Stromwandlers TR1 liegt in Reihe mit einer
Primärwicklung eines zweiten Stroma!andlers TR2 mit der Übersetzung ü2. Beide Primärwicklungen
werden vom gleichen Strom IS durch£lossen. Der
Strom kommt aus einem
Generator G und hat eine rechteck--förmige Wellenform. An eine Sekundärwicklung
des Stromwandlers TR2 ist ein zweiter Vollweggleichrichter GL2 angeschlossen, dessen
beide Ausgangsklemmen über ein Glättungsfilter GF1 mit der Parallelsohaltung des
Widerstandes R mit einem zweiten Widerstand R' verbunden sind. In Reihe zu den Widerständen
liegen jeweils ein Schalttransistor T51 bzw. ein Schalttransistor T52. Der dem Gleich-.richter
GL2 en-tnommene Gleichstrom ist mit IS'l bezeichnet.
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Nach dem Glättungsfilter GF1 führt der Gieichstrom die Bezeichnung
IS''. Der über den Schalttransistor TS1 und den Widerstand R führende Zweigstrom
ist mit Ik benannt. Die Differenz der Maß spannung Um und der Kompensationsspannung
Uk liegt an den Eingangsklemmen eines zweiten Glattungsfilters GF2, dessen Ausgangsklemmen
mit den Eingangs klemmen eines Nullverstärkers N'T verbunden sind. Der ugang des
Nulverstärkers NV ist über einen Tiefpaß TP mit dem Eingang eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers
SPF verbunden. Der Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers beschickt den Eingang
eines Zählers Z1, an den eine Anzeigeeinrichtung A1 angeschlossen ist0 Weiter können
dem Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers SPF über getrennte Leitungen Inkrementimpulse
und das Vorzeichen dieser Impulse für eine nicht dargestellte, inkrementelle Meßwertverarbeitung
entnommen werden. Die einzelnen Dekaden des Zählers Z1 -sind an entsprechende Eingänge
einer digitalen Vergleich,sschaltung DV angeschlossen. Andere Eingänge dieser Schaltung
stehen mit entsprechenden Ausgängen eines Taktimpulszählers Z2 in Verbindung. Der
Zähleingang dieses Zählers wird von einem Taktimpulsgenerator TG gespeist. Ein einen
Übertragsimpuls der höchsten Dekade des Taktimpulszählers Z2 führender Ausgang ist
mit dem einen von zwei Eingängen eines Flip-Flops FE verbunden, dessen anderer Eingang
mit einem Ausgang der digitalen Vergleiche schaltung DV in Verbindung steht, der
einen Impuls weiterleitet, der in der digitalen Vergleichsschaltung bei Übereinstimmung
der Zählerstände der beiden Zähler Z1 und Z2 entsteht. Zwei Ausgänge
des
Flip-Flops FF sind jeweils mit einem Steueringang des Schalttransistors TS1 bzw.
einem Steuereingang des Schalttransistors TS2 verbunden.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Figur 1 wird im folgenden erörtert.
Die in den Stromwandlern TR1 bzw. TR2 übersetzten Speiseströme IS' und IS'' sind
pulsierende Gleichströme, die dem gemeinsamen Speisestrom IS der Stromwandler TR1
und TR2 proportional sind, Demnach ist die Meßspannung Um ein dom Speisestrom 15
proportionales Abbild der normierten Vorstimmung V/Vmax des Meßgrößenaufnehmers
DMS.
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Zur Erzeugung der Kompensationsspannung Uk, die als Spannungsabfall
am Widerstand R abfällt, wird mit Hilfe der beiden elektronischen Schaltstrecken
TS1 und TS2 periodisch nur ein bestimmter Anteil Ik des in dem Glättungsfilter GF1
von seinem Wechselkomponenten befreiten Speisestroms IS'' über den Widerstand R
geleitet.
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Kompensiert wird lediglich der arithmetische Mittelwert Uk der Kompensationsspannung
Uk gegen den arithmetischen Mittelwert Um der Meßspannung Um. Deren Wechselkomponenten
werden ebenso wie eventuell wechselfrequente Einstreuungen in den Meßkreis von dem
Glättungsfilter GF2 vor dem Nullverstärker NV ausgangsondert.
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Die Steuerung der wechselweisen Durchschaltzeiten der Schalt t.ransis
toren TS1 und TS2 erfolgt nach dem Verhcjlt nis des Zählerstandes zl des Zählers
Z1 zum maximalen Zählerstand z2max des Taktimpulszählers Z2. Der Taktgenerator TG
zählt mit Takt impulsen einer Folge frequenz fO den Taktimpulszähler Z2 von Null
beginnend auf seinen maximalen Zählerstandf z2max hoch. Nach dem Erreichen dieses
Standes schaltet ein Übertragsimpuls der höchsten Dekade des Zählers Z2 über das
Flip-Flop FF den Schalttransis-tor TS1 in den leitfähigen Zustand und zugleich den
Schalttransistor
T52 in den Sperrzustand. Damit fließt der geglättete Speisestrom IS'' als Kompensationsstrom
Ik so lange über den Meßwiderstand R, bis der wieder von Null hochlaufende Taktimpulszähler
Z2 den augenblicklichen Zählerstand z1 des Zählers Z1 erreicht hat. In diesem Augenblick
meldet die digitale Vergleichsschaltung DV die Übereinstimmung der beiderseitigen
Zählerstände und schaltet über ihren Ausgangsimpuls und das Flip-Flop ,FF den Transistor
TS2 in den leitfähigen Zustand und den Transistor TS1 in den Sperrzustand. Auf diese
Weise wird der Kompensationsstrom Ik als eine Folge von Rechteckimpulsen mit der
Amplitude IS' und einer Impulsdauer tl geformt. Die Impulsdauer ist streng proportional
dem Zählerinhalt z1 des Zählers Z1. Die Zählperiode X2 des Taktimpulszählers Z2
und die Impulsdauer t1 der Kompensationsstromimpulse sind beide proportiQnal der
Periode der Taktimpulsfolge. Somit ist auch der arithmetische Mittelwert des Kompensationsstromes
TW und damit auch der Mittelwert der Kompensationsspannung Uk streng proportional
dem Verhältnis aus der Irnpulsdauer t1 zur Zählperiode T2.
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Mit Hilfe des Glättungsfilters GF2 vor dem Nullverstärker tX, vorzugsweise
aus passiven linearen Bauelementen, wie Kondensatoren und Widerständen oder auch
Induktivitäten aufgebaut, gelangt lediglich der arithmetische Mittelwert der Differenz
der Meßspannungen Um und der Kompensationsspannung Uk auf den Nullverstärker NV.
Di.e hier verstärkte Differenz spannung veranlaBt über einen vorzugsweise elektronischen
Tiefpaß TP, welcher der Unterdrückung von dynamischen Lastschwankungen auf die Heßgrößenaufnehmer
dient, den Spannungs-Frequenz-Umsetzer SPF zur Abgabe von Zählimpulsen mit einer
dem Betrag der Differenz proportionalen Folgefrequenz und auch zu einer Aussage
über das Vorzeichen dieser Differenz. Auf diese Weise wird der bidirektionale Zähler
Z1 so lange in Richtung eines größeren bzw. kleineren Zählerinhaltes z1 gezählt,
bis die arithmetischen Mittelwerte der Meß- und Kompensationsspannung
miteinander
übereinstimmen. Der Zählerinhalt zl des Zählers Z1 ist das gesuchte digitale Ergebnis
für die Verstimmung V des Meßgrößenaufnehmers DNS unter dem Einfluß der zu messenden
Meßgröße.
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Infolge der Serienspeisung des Meßgrößenaufnehmers DMS einerseits
und des Kompensationsstromkreises andererseits haben die elektrischen Daten der
Schalttransistoren TS1 und T52 sowie des Ableitwiderstandes R' keinen Einfluß auf
das Abgleichergebnis, enn das Glättungsfilter GF1 seine Aufgabe erfüllt und von
dem pulsierenden Gleichstrom 15?? lediglich den arithmetischen Mittelwert IS'' passieren
läßt. Der Bau eines solchen Filters kann aber problematisch sein. Eine Erleichterung
für den Aufbau dieses Filters ergibt sich dadurch, daß der Ableitwiderstand R' gleich
dem Kompensationswiderstand R gewählt und ein rechteckförmiger Speicewechselstrom
15 verwendet wird.
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Synchronisiert man darüber hinaus noch die Frequenz des Speisewechselstroms
IS mit der Folgefrequenz fO der Taktimpulse und schaltet den Transistor TS1 nicht
schon beim Nullsetzen des Zählers Z2 auf "Leiten" durch, sondern um ein paar Zähltakte
des Taktgenerators TG danach versetzt, so kann vollständig auf den Einsatz eines
Glättungsfilters GF1 verzichtet werden, da wegen der Rechteckform und der Gleichrichtung
die Ströme IS'' und 17 identisch sind und vom Stromwandler TR2 streng geprägt werden.
Die zeitlich versetzte Durchschaltung von TS1 hat den Vorteil, daß Einschwingvorgänge
im Anschluß an den Polaritätswechsel vollständig abgeklungen sind, wenn mit dem
Ausblenden von Stromimpulsen Ik aus dem gleichgerichteten Sekundärstrom IS " begonnen
wird.
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Figur 2 stellt ein Diagramm dar, auf dessen Abszisse die Zählzeit
bzw. die Zählerstände abgetragen sind. Die Ordinate zeigt den Kompensationsstrom
in Abhängigkeit von der Zeit bzw. des Zählerstandes. Es ist zu erkennen, daß der
impulsförmige
Kompensationsstrom Ik eine Periode T2 hat, die von dem maximalen Zählerinhalt z2max
des Taktimpulszählers Z2 bestimmt ist. Die Breite der einzelnen Kompensationsstromimpulse
wird von demjenigen Zählerinhalt z1 des Zählers Z2 bestimmt, bei dem sich eine Übereinstimmung
der Zählerinhalte z1 und z2 einstellt. Eine strichpunktierte Parallele zur Abszisse
gibt den Verlauf des arithmetischen Mittelwertes des Kompensationsstromes Ik an.
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In Figur 3 ist dargestellt, wie der Analog-Digital-Wandler nach Figur
1 abgeändert werden muß, um ihn bei einer Nettogewichtswsage mit automatischer Tariermöglichkeit
oder einer äußeren Taraeingabe anwenden zu können. Die mit- denen der Figur 1 übereinstimmenden
Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 gekennzeichnet. Der
Übersicht halber sind in der Figur 3 alle Bauteile vor dem Eingang des Tiefpasses
und dem Ausgang des Flip-Flops FF weggelassen. Diese Verbindungsstellen sind durch
Pfeile gekennzeichnet. Bs is-t zu erkennen, daß das Flip-Flop FF mit einem seiner
Eingänge nicht, wie bei der Schaltung nach Figur 1, am Ausgang des Zeitbasiszählers
Z2 liegt, sondern am Ausgang einer zweiten digitalen Vergleichsschaltung DV'. An
die Eingänge dieser zweiten Vergleicheschaltung sind die Dekaden des Taktimpulszählers
Z2 einerseits.und das Komplement zt des in einen Speicher ZT für den Tarawert eingespeicherten
Zählwertes z-t andererseits angeschlossen. Die Komplementbildung wird durch einen
zwischen der digitalen Vergleichsschaltung DV' und dem Speicher ZT eingeschalteten
Komplementwertbildner KB erreicht. Die Steuerimpulse für den Schalttransistor TS1
werden jetzt von der digitalen Vergleichsschaltung DV' in dem Augenblick an das
Flip.-Flop FF geliefert, in dem das Komplement zt des in den Tarazähler ZT eingespeichelten
Tarawertes zt mit dem Zählerinhalt z2 des Taktimpulszählers Z2 übereinstimmt. Bei
einer Taravergabe wird der Tarawert zt von außen in den Taraspeicher ZT eingegeben.
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Bei automatischer Tarierung dagegen wird nach einem vorhergehenden
Nullabgleich der Waage und bei entleertem Taraspeicher von der Waage zunächst dns
Taragewicht ermittelt und vom Zähler Z1 ausgewiesen. Daran anschließend wird dieser
Tarawert zÜ in den Taraspeicher ZT übernommen und der Zähler Z1 auf Null gesetzt.
Der Zähler Z1 ist daraufhin zur Entnahme und Anzeige von Netogewichtswerten bereit.
Die automatischen Funktionen werden zweckmäßig von einer nicht dargestellten Steuereinheit
angeregt. In Figur 3 ist weiterhin ein Untersetzer U zu erkennen, der über einen
Umschalter zwischen den Ausgang der digitalen Vergleichsschaltung DV' und den einen
Eingang des Flip-Flops FF geschaltet werden kann. Mit Hilfe dieses Untersetzers
ist es möglich, die Empfindlichkeit der Wange bei der Überprüfung ihrer Nullstellung
zu erhöhen.
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11 Patentansprüche 3 Figuren