DE2321517B2 - Analog-Digitalwandler - Google Patents

Description

20, die einen Bezugsstrom h erzeugt, der als negativ angenommen sei. Dieser Bezugsstrom I₂ gelangt an ein Paar UND-Gatter 22 und 24. Beide sind mit dem ODER-Gatter 16 verbunden und mit einem weiteren ODER-Gatter 26. Letzteres ist mit einem Gatter 28 verbunden, und solange der Beziigsstrom I₂ in die Integrierschaltung 18 fließt, ist das Gatter 28 durchgeschaltet, so daß ein Oszillator 30 einen Ausgangszähler 32 treibt Der Oszillator 30 kann ein freilaufender Multivibrator sein, der Impulse mit einer Frequenz Fi erzeugt

Die Schaltung umfaßt ferner Zähler 34 und 36. Der Zähler 34 legt einen Zeitabschnitt 71 fest, währenddessen der Strom I_x in die Integrierschaltung 18 fließt Der Zähler 36 erzeugt eine Anzahl aufeinanderfolgender Zeit-Unterabschnitte innerhalb des Zeitabschnittes T_x. Die beiden Zähler 34 und 36 werden durch einen Oszillator 38 getrieben, der etwa ein freilaufender Multivibrator ist und mit einem Frequenz F₀ schwingt Der Oszillator 38 kann gegebenenfalls den Ausgangszähler 32 über einen Frequenzvervielfacher treiben (nicht dargestellt).

Die Schaltung wird durch Freigeben des Oszillators 38 über eine Startschaltung 40 in Betrieb gesetzt. Der Oszillator treibt die Zähler 34 und 36, bis der Zähler 34 den Wert N_x erreicht hat oder ein Vielfaches davon entsprechend der Zeit 71. Während dieser Zeit wird der Zähler 36 während einer bestimmten Anzahl von Zeitunterabschnitten gespeist. Beim Erreichen des Zählwertes Ni wird der Zähler 34 zurückgestellt und der ju Oszillator 38 angehalten. Der Zähler 36 wird am Ende jedes Zeitunterabschnittes zurückgestellt.

Der Ausgang des Zählers 34 ist an den Umschalteingang eines üblichen Flip-Flops 42 angeschaltet und dient ferner zum Zurückstellen des Zählers 34 nach dem Zählwert N_x und zum Anhalten des Oszillators 38. Der Umschaltausgang des Flip-Flops 42 ist mit einem UND-Gatter 24 verbunden. Der Ausgang des Zählers 36 andererseits ist mit den beiden UND-Gattern 44 und 46 verbunden. Das UND-Gatter 44 ist mit dem Umschalteingang des Flip-Flops 48 verbunden und das UND-Gatter 46 mit dem Rückstelleingang des Flip-Flops. Der Flip-Flop 48 ist mit dem UND-Gatter 22 verbunden. Der Ausgang des Zählers 36 wird zum Rückstellen des Zählers beim Erreichen des Zähl wertes Na verwendet.

Die Spannung E₀ am Ausgang der Integrierschaltung 18 ist an einen Schwellenwertdetektor 50 geleitet, welcher von bekannter Bauart ist und an dem Anschluß X ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die Spannung E_c der Integrierschaltung größer ist als eine vorgegebene Spannung E\. Der Schwellenwertdetektor erzeugt an dem Anschluß Y ein Ausgangssignal, wenn die Spannung E_c kleiner ist als eine vorgegebene Spannung E₂, welche kleiner gewählt ist als die Spannung E\. Der Ausgangsanschluß X des Schwellenwertdetektors ist mit dem UND-Gatter 44 verbunden und über einen Inverter 52 mit dem UND-Gatter 46. Der Anschluß Y des Schwellenwertdetektors ist mit dem Rückschalteingang des Flip-Flops 42 verbunden. Der Ausgang des Zählers 34 ist ferner über einen Inverter 54 mit dem UND-Gatter 14 verbunden. Der Betrieb der Schaltung geschieht in der Weise, daß die Startschaltung 40 einen Impuls (A in Fig.2) an den Oszillator 38 leitet und diesen in Betrieb setzt. Dieser Oszillator treibt die Zähler 34 und 36. Am Ende des Zyklus N_x erzeugt der Zähler 34 einen Ausgangsimpuls (B in Fi g. 2), der das Ende des Zeitabschnittes T₁ angibt. Während dieses Zeitabschnittes erzeugt der Zähler 36 eine Reihe von Ausgangsimpulsen entsprechend den Zeitunterabschnitten während des Zeitabschnittes T, (Cin Fig.2). Der von dem Zähler 34 erzeugte Ausgangsimpuls (B in F^: g. 2) dient zum Rückstellen des Zählers 34 und stoppt auch den Oszillator 38.

Während des Zeitabschnittes Ti ist das UND-Gatter 14 freigegeben, da der Zähler 34 den Zählwert N_x noch nicht erreicht hat, so daß der Flip-Flop 42 zurückgeschaltet ist Während des Zeitabschnittes T_x fließt also der Strom /1 durch das UND-Gatter 14 und das ODER-Gatter 16 (Ein Fi g. 2) in die Integrierschaltung 18 und erzeugt eine Ladung Q_x auf dem Kondensator C der Integrierschaltung. Die Größe der Ladung ist:

Qr = h

Der Zeitabschnitt 71 ist in eine ganzzahlige Anzahl η von Zeit-Unterabschnitten T_xIn eingeteilt, wie durch die Kurve Cin Fig.2 angedeutet ist. Wenn am Ende eines solchen Zeit-Unterabschnittes die Spannung E_c den Wert E_x überschreitet, der durch den Schwellenwertdetektor 50 festgestellt wird, entsteht ein Ausgangssignal am Ausgang X des Schwellenwertdetektors, der das UND-Gatter 44 freigibt, so daß de.- Flip-Flop 48 eingeschaltet wird. Dadurch wird das UND-Gatter 22 freigegeben, und der Bezugsstrom /2 fließt in die Integrierschaltung. Da der Strom I₂ eine umgekehrte Polarität hat wie der Strom I_x, wird die Spannung E_c verringert (Kurve Fin F i g. 2), wodurch ein Ladungsanteil (?_rvon dem Kondensator Cin der Integrierschaltung fortgenommen wird entsprechend:

Qr =

(2)

Nachdem dieser Ladungsanteil abgeführt ist, wird der Kondensator C in der Integrierschaltung 18 weiter durch den Strom I_x geladen. Wenn am Ende des nächsten Zeit-Unterabschnittes T\ln die Spannung E_c wiederum die Spannung £1 überschreitet, wiederholt sich der voranstehend beschriebene Vorgang entsprechend der Kurve Fin Fi g. 2. Der Bezugsstrom I₂ ist so gewählt, daß zu keiner Zeit während des Zeitabschnittes T_x die Spannung E_c negativ werden kann.

Nunmehr sei angenommen, daß die Spannung E_c zu Beginn des Zeitabschnittes 71 gleich E₂ war und daß N_B Ladungsmengen Q_r von dem Kondensator C in der Integrierschaltung 18 während des Zeitabschnittes T_x abgeleitet wurden. Dann ist am Ende des Zeitabschnittes Γι die Spannung E_c:

E_c= E₂

h Ά N_B I₂ T_x

nC

Während des Zeitabschnittes T₂, der unmittelbar an den Zeitabschnitt Γι anschließt, ist das UND-Gatter 14 gesperrt, so daß der Strom /1 nicht mehr in die Integrierschaltung fließen kann. Während des Zeitintervalls T₂ ist jedoch das UND-Gatter 24 freigegeben, so daß der Bezugsstrom I₂ noch ir< die Integrierschaltung rchßt Dadurch wird die Spannung E_c verringert, bis die Spannung E₂ erreicht ist, die durch den Schwellenwertdetektor 50 festgestellt wird. Sobald dieser Zeitpunkt erreicht ist, wird der Flip-Flop 42 zurückgeschaltet, so daß der Stromfluß von /₂ in die Integrierschaltung 18 unterbrochen wird und der Zeitabschnitt T₂ zu Ende ist.

Die Spannung E_c am Ende des Zeitabschnittes T2 ist Daher:

sodann £2. so daß gilt:

- E -E₂

Daher ist:

Z₁ T₁ N_B I₂ T₁ Z₂ T₂

Γ" ⁽⁴⁾

und weiterhin

U₁-

Cn

T₁ Z₂

= 0 (5)

10 Also ist:

I₂ T₂ = 0.

(6)

- — =0.

Ί JVt = -£ (N₈N₀₁ + N₀₂), N₀ = (N₈N₀₁ +N₀₂).

(14)

(15)
(16)

(17)

Der Zeitabschnitt Ti wird festgelegt durch Laufenlassen des Oszillators 38 mit der Frequenz f_a während Ni Zyklen. Daher gilt:

./0

In ähnlicher Weise wird jeder der η Zeitunterabschnitte von Ti durch eine kleinere Anzahl von Zyklen festgelegt, wobei gilt:

Il

Il

(8)

Jedesmal, wenn die Bezugsstromquelle angeschaltet ist, ist das Gatter 28 freigegeben, so daß der Ausgang des Zählers 32 mit einer Geschwindigkeit von /i zählt. Daher wird während jedes Zeit-Unterabschnittes während des Zeitabschnittes Ti der Ausgangszählwert Λ/01 akkumuliert zu:

N_n, =

T₁/.

(9)

Nimmt man nun an, daß/, = ZC ■ /„ ist, dann gilt:

Λ- do)

JL

Einsetzen der Formeln 7 und 10 in die Gleichung 6 ergibt:

Z₁ N, N_BI₂ N₀₁
/0

Kf₀

Während des Zeitabschnittes Tz akkumuliert der Ausgangszähler Zählwerte mit einer Rate von /,, da das UND-Gatter 24 freigegeben ist, so daß während des Zeitabschnittes T₂ der Ausgangszählwert Λ/02 aufläuft bis auf den Wert:

Λ/

T₂ = ^- (12)

Einsetzen von Gleichung Hin Gleichung 11 ergibt:

2 N₀₂

/0

Kf₀

Aus Gleichung 17 erkennt man, daß der Ausgangszählwert Λ/ο, der gleich Nb · Λ/01 + Λ/02 ist, direkt proportional dem Eingangsstrom /1 ist, also auch proportional der Eingangsspannung E,\. Man erkennt ferner aus Gleichung 15, daß der Ausgangszählwert Λ/ο unabhängig von dem Wert des Kondensators C in der Integrierschaltung 18 ist und unabhängig von der Oszillatorfrequenz, vorausgesetzt, daß diese Parameter während der Umsetzung konstant bleiben. Daher läßt sich eine hohe Genauigkeit leicht und einfach erreichen, da keine engen Toleranzen dieser Parameter eingehalten werden müssen.

Da die maximale Spannung an dem Kondensator C

der Ladung bei Vollausschlag geteilt durch -> entspricht,

ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung des Schwellenwertdetektors 50 bei der Schaltung nach der Erfindung im Vergleich zu bekannten vergleichbaren Analog-Digitalwandlern. Außerdem erfolgt die Umwandlung bei der Schaltung nach der Erfindung schneller im Vergleich zu bekannten Wandlern, da die maximale Dauer des Zeitabschnittes T2 durch den

⁴⁽¹ Faktor " dividiert ist.

Da die Genauigkeit der Schaltung unabhängig von der Spannung E₂ ist, läßt sich mit einer Gegenkopplungsschleife um den Schwellenwertdetektor 50 am Ende der Ablesung erreichen, daß Anfang und Ende der Messung genau bei der Spannung E₂ erfolgen, so daß eine etwaige Temperaturdrift des Schwellenwertdetektors keinen Einfluß hat.

Bei einer ersten Ausführungsform, die der Schaltung nach F i g. 1 entspricht, akkumuliert der Zähler 36 die Zählsignaie des Oszillators 38 (k) und legt den Zeitabschnitt Ti fest, während der Ausgangszähler 32 die Zählsignale des Oszillators 30 akkumuliert Diese Schaltung ermöglicht eine Beeinflussung des Faktors K, also des Verhältnisses zwischen der Frequenz f\ und der Frequenz fo, so daß sich demgemäß der Skalenfaktor digital beeinflussen läßt entsprechend einer nichtlinearen Beziehung zwischen der Eingangsspannung Ex₁ und dem Ausgangszählwert Λ/ο.

Bei einer zweiten Ausführungsform ist der Wert K auf eins eingestellt, so daß /0 und /1 gleich sind, indem z. B. ein gemeinsamer Oszillator die beiden Zähler 32 und 36 antreibt Der erste Zähler wird dabei während des Zeitabschnittes T₁ verwendet, um die Zeit-Unterab-

65 schnitte von Ti zu erzeugen, und während der zweite Zähler die Zeit-Unterabschnitte zählt und das Ende von = 0. (13) Ti nach der bestimmten Anzahl von Zeit-Unterabschnit

ten festlegt Ein dritter Zähler dient zum Zählen der

-Z₂T₂ = O. (11)

Anzahl von Malen während des Zeitabschnittes 71, in der der Bezugsstrom angeschaltet ist. Dieser dritte Zähler enthält dann die Ziffern höchster Ordnung des Ausgangszählwertes. Während des Zeitabschnittes Ti kann der erste Zähler zum Akkumulieren der Zählimpulse verwendet werden, bis die Spannung Ei erreicht ist, wobei der dritte Zähler nötigenfalls den Überlauf aufnimmt. Der erste und der dritte Zähler enthalten dann den digitalen Ausgangswert. Man erkennt, daß mit dieser Ausführungsform weniger digitale Schaltungs- -> kreise erforderlich sind wegen des Time-Sharing-Betriebes des ersten Zählers.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Analog-Digitalwandler mit einem Impulsgenerator, einem Impulszähler, einem Integrator, einer ersten Einrichtung zum Anlegen eines ersten Eingangssignals an den Integrator während eines ersten Zeitabschnittes, daß eine Einrichtung zum Unterteilen des ersten Zeitabschnittes in eine Anzahl Zeitunterabschnitte vorgesehen ist, einer zweiten Einrichtung zum Anlegen eines Bezugssignals mit gegenüber dem ersten Eingangssignal entgegengesetzter Polarität an den Integrator während eines zweiten Zeitabschnittes, und mit einer an diese angeschalteten Schalteinrichtung zum Übertragen von Impulsen des Impulsgenerators an den Eingang des Impulszählers, sobald das Bezugssignal an dem Integrator anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Unterteilen des ersten Zeitabschnittes in eine Anzahl Zeitunterabschnitte vorgesehen ist, daß ein Schwellenwertdetektor (50) vorgesehen ist, der an den Ausgang des Integrators (18) angeschaltet ist, und daß die Schalteinrichtung zum Übertragen der Impulse mit dem Schwellenwertdetektor gekuppelt ist, so daß die Impulse während des ersten Zeitabschnittes (T\) dann und nur dann an den Impulszähler weitergeleitet werden, wenn die am Ende jedes Zeitunterabschnittes innerhalb des Zeitabschnittes (T\) gemessene Amplitude des Jo Ausgangssignals des Integrators (18) unter einem vorgegebenen Wert liegt

2. Analog-Digital wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche, mit dem Schwellenwertdetektor (50) gekuppelte Abschalteinrichtung zum Beenden des zweiten Zeitintervalls (T2), wenn das Ausgangssignal des Integrators eine vorgegebene Amplitude erreicht, die kleiner ist als die die Schalteinrichtung umsteuernde Amplitude.

3. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, 4« gekennzeichnet durch einen zweiten Impulsgenerator, durch einen zweiten, mit diesem gekuppelten Zähler zum Erzeugen des ersten Zeitabschnitts und der Zeitunterabschnitte und zum Steuern der Beendigung des ersten Zeitabschnitts (T\), und durch unterschiedliche Impulsraten der beiden Impulsgeneratoren.

4. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten, mit dem Impulsgenerator verbundenen Zähler zum Zählen der Zeitunterabschnitte, durch einen dritten Zähler zum Zählen der Anzahl von Zeitunterabschnitten während der Steuerung des Integrators mit dem Bezugssignal und zur Beendigung des ersten Zeitabschnittes, durch die Verwendung des ersten Zählers während des ersten Zeitintervalls zum Erzeugen der Zeitunterabschnitte und zum Summieren der Impulse so lange, bis eine zweite vorgegebene Amplitude erreicht ist, die kleiner ist als die den Schwellenwert umsteuernde Amplitude, bo und zum Überleiten der Impulse in den dritten Zähler nach Erreichen der erstgenannten vorgegebenen Amplitude, so daß der dritte Zähler die höchstrangigen Ziffern des Zählwertes speichert, während der erste Zähler die niederrangigen Ziffern speichert.

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digitalwandler, insbesondere in integrierter Bauweise, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Integrierende Analog-Digitalwandler, etwa Digitalvoltmeter, die ein digitales Ausgangssignal als Funktion des Integrals eines analogen Eingangssignals erzeugen, sind bekannt Derartige Wandler erfordern jedoch lange Umsetzungszeiten, um Störungen durch die Netzfrequenz oder dergleichen auszuschließen. Außerdem sind große, teure Kondensatoren für die Integrierschaltung erforderlich, wenn eine hohe Genauigkeit gewünscht wird. Die Umsetzungsgeschwindigkeit und die Genauigkeit sind außerdem durch den Verstärkungsfaktor, die Bandbreite und den Störpegel der Komparatorschaltung begrenzt

Es ist bereits ein Analog-Digitalwandler bekannt, der nach dem »Dual-Ramp-Verfahren« arbeitet und einen Impulsgenerator, einen Impulszähler, einen Integrator, eine erste Einrichtung zum Anlegen eines ersten Eingangssignals an den Integrator während eines ersten Zeitintervalls, eine zweite Einrichtung zum Anlegen eines Bezugssignals an den Integrator während eines zweiten Zeitabschnitts mit gegenüber dem ersten Eingangssignal entgegengesetzter Polarität, und eine an diese angeschaltete Schalteinrichtung zum Übertragen von Impulsen des Impulsgenerators an den Eingang des Impulszählers, sobald das Bezugssignal an dem Integrator anliegt, aufweist (IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol.

5, Nr. 8, Jan. 1963). Derartige Analog-Digitalwandler erfordern einen Komparator mit hoher Verstärkung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analog-Digitalwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine hohe Umsetzungsgeschwindigkeit aufweist mit einem kleinen Kondensator für die Integrierschaltung auskommt und eine geringere Verstärkung und Bandbreite der Komparatorschaltung benötigt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Ein derartiger Wandler hat eine hohe Genauigkeit die unabhängig von der Frequenz des Impulsgenerators ist und von irgendwelchen Drifterscheinungen. Sie weist außerdem eine hohe Störsicherheit auf, bedingt durch die niedrige Verstärkung der Komparatorschaltung.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

F i g. 1 ist ein Blockschaltbild eines Digital-Analogwandlers;

F i g. 2 zeigt Kurvendarstellungen an verschiedenen Stellen der Schaltung nach F i g. 1.

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung hat Eingangsklemmen 10, an die eine Eingangsspannung Ex\ angelegt wird, die die unbekannte Analoggröße darstellt, die in eine entsprechende Digitalgröße umgewandelt werden soll. Die Eingangsklemmen 10 sind mit einem Spannungs-Stromwandler 12 verbunden, der von an sich bekannter Bauart ist und dazu dient, die Eingangsspannung in einen Strom /1 = KEx\ umzuwandeln. Bei dem Ausführungsbeispiel ist dieser Strom als positiv angenommen.

Der Eingangsstrom /1 gelangt über ein UND-Gatter 14 und ein ODER-Gatter 16 an eine Integrierschaltung 18, welche von bekannter Bauart ist und einen Kondensator umfaßt, der durch den ankommenden Strom geladen wird und eine Spannung E_c am Ausgang der Integrierschaltung erzeugt.

Die Schaltung umfaßt ferner eine Bezugsstromquelle