DE2621087A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum umwandeln einer analogen groesse in eine digitale groesse - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zum umwandeln einer analogen groesse in eine digitale groesse

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DE2621087A1 DE19762621087 DE2621087A DE2621087A1 DE 2621087 A1 DE2621087 A1 DE 2621087A1 DE 19762621087 DE19762621087 DE 19762621087 DE 2621087 A DE2621087 A DE 2621087A DE 2621087 A1 DE2621087 A1 DE 2621087A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT *| Unser Zeichen Berlin und München VPA 76 P 3 0 8 2 BRD
Verfahren und Schaltungsanordnung zum Umwandeln einer analogen Größe in eine digitale Größe
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Umwandeln einer analogen Größe in eine digitale Größe, bei dem die analoge Größe einer Integrationsschaltung zugeführt wird, an die während einer Umsetzperiode zeitweise eine Referenzgröße angeschaltet ist, bei dem ferner die von einem Impulsgenerator abgegebenen Impulse während der Zeit, in der die Referenzgröße an die Integrationsschaltung angeschaltet ist, einem Zähler zugeführt werden.
Ein solches Verfahren ist durch die DT-AS 1 295 629 bekannt. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist, daß vor Beginn einer jeden Umsetzperiode die Integrationsschaltung durch Kurzschließen des Ausganges mit dem Eingang zurückgestellt wird und während der RUckstellzeit die analoge Größe abgeschaltet ist. Eine während dieser RUckstellzeit auftretende Änderung der analogen Größe kann somit nicht erfaßt werden und das Umsetzergebnis ist dementsprechend ungenau.
Das gleiche gilt auch für das bekannte Dual-Slop-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird die analoge Größe über eine bestimmte Zeitdauer integriert, danach von dem Integrator abgeschaltet und die Referenzgröße zum Abintegrieren des Ausgangssignales des Integrators angeschaltet. Während der Zeit, in der die Referenzgröße an den Integrator angeschaltet ist, wird die analoge Größe bei diesem bekannten Verfahren nicht erfaßt.
Durch die DT-OS 24 39 475 ist bereits ein Verfahren zum Umwandeln einer analogen Größe in eine digitale Größe bekannt, bei dem die analoge Größe fortlaufend erfaßt wird. Ein Nachteil
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dieses Verfahrens ist jedoch, daß sich bei dem Umwandeln einer analogen Größe in eine digitale Größe keine konstante Dauer für den umgesetzten Mittelwert ergibt. Man erhält bei diesem bekannten Verfahren stark unterschiedliche Werte für die einzelnen Umsetzperioden, so daß wiederum aus einer Vielzahl von Umsetzperioden ein Mittelwert gebildet werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Umwandeln einer analogen in eine digitale Größe zu schaffen, bei dem die analoge Größe fortwährend erfaßt wird und das umgesetzte Ergebnis auf eine feste Zeitspanne bezogen ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung dadurch, daß die analoge Größe während der ersten Phase einer Umsetzperiode einem ersten Integrator und während einer sich unmittelbar an die erste Phase anschließenden zweiten Phase der Umsetzperiode einem zweiten Integrator zugeführt wird und die Impulse während des Angeschaltetseins der Referenzgröße von einem für beide Integratoren gemeinsamen Zähler gezählt werden. Durch die Verwendung von zwei Integratoren besteht die Möglichkeit, die analoge Größe jeweils abwechselnd an einen der Integratoren anzuschalten und in der Zwischenzeit, in der die analoge Größe nicht angeschaltet ist, die Referenzgröße an den betreffenden Integrator zu legen. Das in jedem Integrator gewonnene Umsetzergebnis bezieht sich auf eine feste Integrationszeit für die analoge Größe. Durch die Addition der beiden Umsetzergebnisse in dem gemeinsamen Zähler bezieht sich auch das Gesamtumsatzergebnis auf eine feste Integrationszeit.
Die Genauigkeit des Verfahrens läßt sich noch dadurch verbessern, daß die Referenzgröße jeweils synchron zu dem auf den Nulldurchgang des Ausgangssignales eines Integrators folgenden Impuls von dem betreffenden Integrator abgeschaltet und das an diesem Integrator anstehende Restsignal dem anderen Integrator zugeführt wird. Da der Nulldurchgang des Ausgangssignales eines Integrators in der Regel nicht mit einem Impuls des Impulsgenerators zusammenfällt, entstehen bei einem zum Nulldurchgang synchronen
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Abschalten Quantisierungsfehler. Diese Quantisierungsfehler werden durch das zu den vom Impulsgenerator abgegebenen Impulsen synchrone Schalten und durch die Berücksichtigung des Restsignales durch den anderen Integrator praktisch vermieden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung läßt sich der Steueraufwand für das Verfahren dadurch wesentlich vereinfachen, daß während der zweiten Phase der Umsetzperiode dem zweiten Integrator zusätzlich zu der analogen Größe das Ausgangssignal des ersten Integrators zugeführt und der Eingang des ersten Integrators durch Gegenkoppeln seines Ausgangssignals auf Null gebracht und die Referenzgröße während der ersten Phase der Umsetzperiode nur an den zweiten Integrator geschaltet wird. Bei dieser Art des Verfahrens wird das Ausgangssignal des ersten Integrators nicht mit Hilfe der Referenzgröße abintegriert, sondern in den zweiten Integrator eingegeben. Damit entspricht das Ausgangssignal des zweiten Integrators dem Integral der analogen Größe über die volle Umsetzperiode. Auch bei dieser Art des Verfahrens kann die Umsetzgenauigkeit noch dadurch verbessert werden, daß die Referenzgröße jeweils synchron zu dem auf den Nulldurchgang des Ausgangssignals des zweiten Integrators folgenden Impuls abgeschaltet und das anstehende Restsignal in den Integrationsvorgang der nächsten Umsetzperiode übernommen wird. Der Aufwand an Bauelementen für das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich dadurch gering halten, daß das Ausgangseignal des ersten Integrators einem invertierenden Eingang desselben und einem invertierenden Eingang des zweiten Integrators zugeführt wird, dem über einen nicht invertierenden Eingang gleichzeitig die analoge Größe zugeführt wird. Durch die Verwendung eines invertierenden ersten Integrators wird das Gegenkoppeln durch einfaches Kurzschließen zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang dieses Integrators erreicht.
Der Einfluß von inneren Fehlern auf die Genauigkeit des Umsetzergebnisses wird nach einer weiteren Ausgestaltung dadurch ausgeschaltet, daß an die Integratoren eine Hilfsspannung zur Driftkompensation gelegt wird. Es ist besonders vorteilhaft, daß die zur Driftkompensation angelegte Hilfsspannung selbsttätig
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so eingestellt wird, daß das Ausgangssignal des jeweiligen Integrators beim Nullsignal an seinem Eingang konstant bleibt. Durch das selbsttätige Einstellen der Hllfsspannung wird der Einfluß von Inneren Fehlern auch bei sich ändernden Einsatzbedingungen für die Integratoren ausgeschaltet. Das selbsttätige Einstellen der Hllfsspannung erfolgt zweckmäßigerweise durch einen Regler, dem als Istwert die Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals des jeweiligen Integrators oder eine der Änderungsgeschwindigkeit proportionale Größe und als Sollwert Null zugeführt wird, wobei der Soll- und Istwert während einer Umsetzperiode periodisch an den Regler an- und abgeschaltet werden und die Stellgröße mit Hilfe eines Speichers während der gesamten Umsetzperiode wirksam bleibt.
Eine besonders einfache Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Integrator mit einem invertierenden und ein zweiter Integrator mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang vorgesehen ist, daß während der ersten Phase einer Umsetzperiode die analoge Größe mittels eines ersten, von einem Zeitsignalgeber gesteuerten Schaltelementes an den invertierenden Eingang des ersten Integrators und die Referenzgröße mittels eines zweiten Schaltelementes, das durch einen an den Ausgang des Hauptintegrators angeschlossenen Komparator synchron zu den vom Impulsgenerator abgegebenen Impulsen gesteuert ist, in Abhängigkeit von der Polarität des Ausgangssignales des zweiten Integrators an einen seiner Eingänge an- und abgeschaltet ist, daß während der zweiten Phase einer Umsetzperiode mitiels dritter, vierter und fünfter, durch den Zeitsignalgeber gesteuerter Schaltelemente die analoge Größe an den nicht invertierenden Eingang des zweiten Integrators und das Ausgangssignal des ersten Integrators sowohl an dessen invertierenden Eingang als auch an den invertierenden Eingang des zweiten Integrators an- und abgeschaltet ist.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird der Gegenstand der Erfindung nachfolgend näher beschrieben.
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Die dargestellte Schaltungsanordnung enthält einen ersten Integrator 1 mit einem invertierenden Eingang (-) und einen zweiten Integrator 2 mit einem invertierenden (-) und einem nicht invertierenden Eingeng (+)· An den Ausgang des zweiten Integrators 2 ist ein Komparator 3 angeschlossen. Der Komparator 3 weist zwei Ausgänge auf, an denen je nach Polarität des Ausgangssignals des zweiten Integrators 2 ein Signal erscheint. Die beiden Ausgänge des Komperators 3 sind mit dem Vor- und Rückwärtszähleingang eines Zählers 4 verbunden. Je nachdem, an welchem Ausgang des Komparators 3 ein Signal ansteht, wird der Zähler 4 auf Vor- oder Rückwärtszählen geschaltet. Der Zähleingang des Zählers 4 ist an eine UND-Stufe 5 angeschlossen. An die Ausgänge des Komparators 3 sind ferner zwei Eingänge einer Steuerstufe 6 angeschlossen, welche die Polarität der Ausgangssignale des Komparators 3 erfaßt. Ein bei Polaritätswechsel der Komparatorausgangssignale signalführender Ausgang der Steuerstufe 6 ist mit dem Stopp-Eingang des Zählers 4 verbunden.
Die Schaltungsanordnung weist fernerhin einen Impulsgenerator auf, der mit einem Zeitsignalgeber 8 verbunden ist. Der Zeitsignalgeber δ besitzt zwei Ausgänge 8a und 8b. Der Ausgang 8a führt während einer ersten Phase der Umsetzperiode ein Signal und der Ausgang 8b während einer zweiten Phase der Umsetzperiode Die Gesamtdauer der beiden Phasen entspricht der Dauer einer Umsetzperiode. Der Ausgang 8a ist mit dem einen Eingang der UND-Stufe 5 verbunden. Der andere Eingang der UND-Stufe 5 liegt am Ausgang des Impulsgenerators 7. Damit können während der Zeit, in der der Ausgang 8a des Zeitsignalgebers 8 Signal führt, Impulse des Impulsgenerators 7 an den Zähler 4 gelangen.
Durch das am Ausgang 8a anstehende Ausgangssignal des Zeitsignalgebers 8 wird ein erstes Schaltelement 9 betätigt, durch welches die analoge Größe U an den invertierenden Eingang (-) des ersten Integrators 1 geschaltet wird. Durch das Ausgangssignal des Ausganges 8a wird ferner der Komparator 3 gestartet. Das Ausgangssignal des Ausganges 8b steuert ein drittes, viertes und fünftes Schaltelement 10, 11 und 12, wobei über das dritte Schaltelement 10 die analoge Größe Uv an den nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Integrators 2, über das
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vierte Schaltelement der Ausgang des ersten Integrators 1 an dessen invertierenden Eingang (-) und über das fünfte Schaltelement 12 der Ausgang des ersten Integrators 1 an den invertierenden Eingang (-) des zweiten Integrators 2 geschaltet ist. Weiterhin ist ein zweites Schaltelement 13 vorgesehen, das zweckmäßigerweise als Umschalteinrichtung ausgebildet ist· Dieses zweite Schaltelement 13 wird durch ein Ausgangssignal der Steuerstufe 6 in Abhängigkeit von der Polarität des Ausgangssignales des Komparators 3 entweder mit dem invertierenden (-) oder dem nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Integrators 2 verbunden und damit eine Referenzgröße UR an den entsprechenden Eingang des zweiten Integrators 2 gelegt.
Mit dem ersten Integrator 1 ist noch eine Steuerschaltung 14 und mit dem zweiten Integrator 2 eine Steuerschaltung 15 verbunden. Die Steuerschaltungen 14 und 15 liefern Hilfsspannungen zur Driftkompensation der beiden Integratoren. Die Schalteinrichtungen zum Anschalten der Steuerschaltung 14 und 15 an die Integratoren sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Derartige Schalteinrichtungen können bereits in die Integratoren mit einbezogen sein.
Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Zunächst führt der Ausgang 8a des Zeitsignalgebers 8 ein Steuersignal. Durch dieses Steuersignal wird das erste Schaltelement 9 eingeschaltet und legt die analoge Größe U an den invertierenden Eingang (-) des ersten Integrators 1. Ferner wird das zweite Schaltelement 13 je nach Polarität des Ausgangssignales des zweiten Integrators auf den invertierenden (-) oder den nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Integrators 2 geschaltet. Damit liegt die Referenzgröße UR an dem entsprechenden Eingang des zweiten Integrators 2. Durch das Steuersignal am Ausgang 8a des Zeitsignalgebers 8 werden ferner die Impulse des Impulsgenerators 7 über die UND-Stufe 5 an den Zähler 4 weitergeleitet. Durch das Ausgangssignal des Komparators 3 ist der Zähler 4 entweder auf Voroder Rückwärtszählen geschaltet.
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Nachdem das erste Schaltelement 9 eingeschaltet ist, wird die analoge Größe U„ in dem ersten Integrator 1 integriert. Mit dem
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Anlegen der Referenzgröße UR an den zweiten Integrator 2 beginnt an diesem Integrator das Abintegrieren des Ausgangssignales· Gleichzeitig mit dem Anlegen der Referenzgröße UR an den zweiten Integrator 2 ist der Zähler 4 durch das Steuersignal an dem Ausgang 8a des Zeitsignalgebers 8 gestartet worden. Sobald das Ausgangssignal des zweiten Integrators 2 auf Null abintegriert ist, erfolgt taktsynchron mit dem nächsten Impuls des Impulsgenerators 7 ein Polaritätswechsel des Ausgangssignals des !Comparators 3. Ein solcher Polaritätswechsel hat ein Ausgangssignal der Steuerstufe 6 zur Folge, durch welches der Zähler 4 gestoppt wird. Der erreichte Zählerstand ist somit ein Maß für die analoge Größe. Gleichzeitig mit dem Stoppen des Zählers 4 wird über die Steuerstufe 6 auch die Referenzgröße Ug wieder von dem Eingang des Hauptintegrators 2 abgeschaltet. Da der Zähler 4 nicht unmittelbar beim Nullwerden des Ausgangssignales des Hauptintegrators gestoppt wird sondern erst bei dem auf das Nullwerden folgenden Impuls, bleibt an dem Ausgang des zweiten Integrators 2 ein Restsignal stehen. Dieses Restsignal wird zur Vermeidung von üngenauigkeiten in den nächsten Integrationsvorgang mit einbezogen.
Nach einer bestimmten Dauer verschwindet das Steuersignal an dem Ausgang 8a des Zeitsignalgebers 8, wodurch die erste Phase der umsetzperiode beendet ist. Unmittelbar darauf erscheint an dem Ausgang 8b ein Steuersignal, wodurch die zweite Phase der Umsetzperiode beginnt. Mit dem Verschwinden des Steuersignales an dem Ausgang 8a wird das erste Schaltelement 9 geöffnet und somit die analoge Größe U von dem ersten Integrator 1 abge-
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schaltet. Durch das Steuersignal am Ausgang 8b wird nunmehr das dritte Schaltelement 10 geschlossen und die analoge Größe υχ an den nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Integrators 2 gelegt. Ferner wird über das vierte Schaltelement 11 der Ausgang des ersten Integrators 1 auf dessen invertierenden Eingang gegengekoppelt und das Ausgangssignal des ersten Integrators 1 über das fünfte Schaltelement 12 an den nicht invertierenden
Eingang (-) des zweiten Integrators gelegt. Die Steuerung des dritten, vierten und fünften Schaltelementes 10, 11 und 12 durch den Zeitsignalgeber 8 ist durch eine strichlierte Linie zwischen diesen Schaltelementen und dem Ausgang 8b des Zeitsignalgebers 8 angedeutet. Während der zweiten Phase einer Umsetzperiode wird die analoge Größe U von dem zweiten Integrator 2 aufintegriert. Gleichzeitig übernimmt der zweite Integrator 2 den von dem ersten Integrator 1 in der ersten Phase der Umsetzperiode aufintegrierten Wert der analogen Größe U .
Am Ende der zweiten Phase entspricht somit das Ausgangssignal des zweiten Integrators 2 dem Integral der analogen Größe U über eine volle Umsetzperiode. Am Ende der zweiten Phase verschwindet das Steuersignal an dem Ausgang 8b des Zeitsignalgebers 8 und das dritte, vierte und fünfte Schaltelement 10, 11 und 12 werden wieder geöffnet. Gleichzeitig erscheint am Ausgang 8a wieder ein Steuersignal, wodurch die erste Phase der nächsten Umsetzperiode eingeleitet wird.
Durch die Verwendung eines ersten Integrators 1 und eines zweiten Integrators 2 bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren besteht die Möglichkeit, die analoge Größe U fortlaufend zu integrieren und dennoch eine Driftkompensation an den Integratoren durchzuführen. Dies ist dadurch möglich, daß für jeden der Integratoren in einer der beiden Phasen eine Zeitspanne besteht, in der der betreffende Integrator nicht in Funktion ist. Dies ist bei dem ersten Integrator 1 während der zweiten Phase einer Umsetzperiode nach dem Nullwerden des Einganges durch das Gegenkoppeln des Ausgangssignales und bei dem zweiten Integrator 2 während der ersten Phase einer Umsetzperiode nach dem Abintegrieren des Ausgangssignales der Fall. Während der Zeitspanne, in der der betreffende Integrator nicht in Funktion ist, wird an seinem Ausgang die Änderungsgeschwindigkeit seines Ausgangssignales oder eine der Änderungsgeschwindigkeit proportionale Größe gemessen. Entsprechend dieser gemessenen Größe wird in der Jeweiligen Steuerschaltung 14 bzw. 15 eine Hilfsspannung eingestellt, die dann während der Zeit, in der der betreffende Integrator 1 bzw. 2 in Funktion ist, diesem als konstanter Wert zugeführt
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wird. Damit wird sowohl beim Auf- als auch Abintegrieren der Driftfehler des betreffenden Integrators korrigiert und somit eine hohe Genauigkeit des Umsetzergebnisses erzielt. Durch das sich stets wiederholende Messen der Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignales wird eine etwaige Änderung des Driftfehlers infolge irgendwelcher Einflüsse sofort erfaßt und die Hilfsspannung entsprechend eingestellt.
9 Patentansprüche
1 Figur
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Claims (9)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zum Umwandeln einer analogen Größe in eine digitale Größe» bei dem die analoge Größe einer Integrationsschaltung zugeführt wird, an die während einer Umsetzperiode zeitweise eine Referenzgröße angeschaltet ist, bei dem ferner die von einem Impulsgenerator abgegebenen Impulse während der Zeit, in der die Referenzgröße an die Integrationsschaltung angeschaltet ist, einem Zähler zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Größe während der ersten Phase einer Umsetzperiode einem ersten Integrator und während einer sich unmittelbar an die erste Phase anschließenden zweiten Phase der Umsetzperiode einem zweiten Integrator zugeführt wird und die Impulse während des Angeschaltetseins der Referenzgröße von einem für beide Integratoren gemeinsamen Zähler gezählt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzgröße jeweils synchron zu dem auf den Nulldurchgang des Ausgangssignales eines Integrators folgenden Impuls von dem betreffenden Integrator abgeschaltet und das an diesem Integrator anstehende Restsignal dem anderen Integrator zugeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der zweiten Phase der Umsetzperiode dem zweiten Integrator zusätzlich zu der analogen Größe das Ausgangssignal des ersten Integrators zugeführt und der Eingang des ersten Integrators durch Gegenkoppeln seines Ausgangssignals auf Null gebracht und die Referenzgröße während der ersten Phase der Umsetzperiode nur an den zweiten Integrator geschaltet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzgröße jeweils synchron zu dem auf den Nulldurchgang des Ausgangssignales des zweiten Integrators folgenden Impuls abgeschaltet und das anstehende Restsignal in den Integrationsvorgang der nächsten Umsetzperiode übernommen wird.
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    ORiGlNAL INSPECTED
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des ersten Integrators einem invertierenden Eingang desselben und einem invertierenden Eingang des zweiten Integrators zugeführt wird, dem über einen nicht invertierenden Eingang gleichzeitig die analoge Größe zugeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Integratoren eine Hilfsspannung zur Driftkompensation angelegt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Driftkompensation angelegte Hilfsspannung selbsttätig so eingestellt wird, daß das Ausgangssignal des jeweiligen Integrators bei Nullsignal an seinem Eingang konstant bleibt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das selbsttätige Einstellen der Hilfsspannung durch einen Regler erfolgt, dem als Istwert die Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals des jeweiligen Integrators oder eine der Änderungsgeschwindigkeit proportionale Größe und als Sollwert Null zugeführt wird, wobei der Soll- und Istwert während einer Umsetzperiode periodisch an den Regler an- und abgeschaltet werden und die Stellgröße mit Hilfe eines Speichers während der gesamten Umsetzperiode wirksam bleibt.
  9. 9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Integrator (1) mit einem invertierenden und ein zweiter Integrator (2) mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang vorgesehen ist, daß während der ersten Phase einer Umsetzperiode die analoge Größe (U ) mittels eines ersten, von einem Zeitsignalgeber (8) gesteuerten Schaltelement (9) an den invertierenden Eingang des ersten Integrators (1) und die Referenzgröße (UR) mittels eines zweiten Schaltelementes (13) das durch einen an den Ausgang des zweiten Integrators(2)
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    angeschlossenen Komparator (3) synchron zu den vom Impulsgenerator abgegebenen Impulsen gesteuert ist, in Abhängigkeit von der Polarität des Äusgangssignales des zweiten Integrators (2) an einen seiner Eingänge an- und abgeschaltet ist, daß während der zweiten Phase einer Umsetzperiode mittels dritter, vierter und fünfter, durch den Zeitsignalgeber (8) gesteuerter Schaltelemente (10, 11, 12) die analoge Größe (U ) an den nicht invertierenden Eingang des zweiten Integrators (2) und das Ausgangssignal des ersten Integrators (1) sowohl an dessen invertierenden Eingang als auch an den invertierenden Eingang des zweiten Integrators (2) an- und abgeschaltet ist.
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