DE2626899B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Genauigkeitsüberprüfung eines Analog-Digitalwandlers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Genauigkeitsüberprüfung eines Analog-DigitalwandlersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wiederholten Nacheichung und Genauigkeitsüberprüfung
eines Analog-Digitalwandlers, mit einem eine linear ansteigende, in ihrer Steilheit
veränderbare Sägezahnspannung erzeugenden Sägezahngenerator, einem von einem Oszillator stammende
Taktimpulse zählenden Zähler, einer bei Übereinstimmung einer Eingangsmeßspannung mit der Sägezahnspannung
durch Signalgabe die Auswertung des Zählerinhaltes ermöglichenden Vergleichsschaltung
und mit mindestens einer Referenzspannungsquelle, die am Ende der Meßphase mit der Sägezahnspannung
verglichen wird.
Analog-Digitalwandler sind allgemein bekannt und sind beispielsweise in ihrem grundlegenden Aufbau
beschrieben in dem Aufsatz »Die Grundlage digitaler Spannungsmesser« von Manfred Klose, veröffentlicht
in der Zeitschrift »Elektronik«, Jahrgang 1968, Heft 2 und Heft 4, auf den Seiten 37-40 und 117 -120. Danach
erfolgt die Analog-Digitalwandlung in der Weise, daß die Meßspannung mit einer linearen oder treppenförmig
ansteigenden Referenzspannung verglichen und bei Meßbeginn ein digitale Impulse zählendes Element,
etwa ein elektronischer Zähler, angeworfen wird, der bei Gleichheit von Meßspannung mit der sich
ändernden Referenzspannung ausgelesen wird, wobei üblicherweise eine Vergleichs- oder Komparatorschaltung
vorgesehen ist. Durch die Erfassung der bis zur Spannungsgleichheit eingelaufenen Zählimpulse gewinnt
man ein digitales Maß für den zu messenden analogen Spannungswert der unbekannten Eingangsspannung. Nachteilig ist jedoch bei diesen grundlegenden
Verfahren, daß sowohl Ungenauigkeiten in der Erzeugung von linear ansteigenden Referenzspannungen,
d. h. in deren Steilheit, als auch Frequenzänderungen des Oszillators als Meßfehler in die Messung
eingehen. Es ist daher erforderlich, die Frequenz des
Oszillators auf die erzeugte Sägezahnspannung oder Refererzspannung zu beziehen und zu synchronisieren,
damit überhaupt ein auswertbares Meßergebnis erzielt werden kann, denn durch die den einzelnen Baukomponenten
innewohnenden Fehler, beispielsweise das Driftverhalten von Verstärkern und Vergleichsschaltung
kommen Fehler vor, denen durch entsprechende Nacheichung begegnet werden muß.
Aus der DE-OS 21 08 329 ist ein Analog-Digitalwandler bekannt, bei dem die Sägezahnspannung zu ιυ
vorgegebenen Zeitpunkten mit Referenzsignalen entgegengesetzter Polarität verglichen und ein Rückführschaltkreis
vorgesehen ist, der auf den Oszillator arbeitet und diesen in seiner Frequenz so verstellt, daß
Sägezahnspannung und Oszillatorfrequenz aneinander r>
angeglichen werden bzw. daß die Impulszahl in einem Referenzzeitintervall bei einer vorgegebenen Zahl
gehalten wird. Auf diese Weise vermeidet man Meßfehler, die auf eine Frequenzänderung des Oszillators
unabhängig von einer Steilheitsänderung der Sägezahnspannung zurückgehen.
Damit es gelingt, die Frequenz des Impulsgenerators auf die Steilheit der Sägezahnspannung zu beziehen,
muß der Oszillator des Impulsgenerators spannungssteuerbar sein oder allgemein in seiner Frequenz 2r>
beeinflußt werden können, so daß quarzgesteuerte Oszillatoren nicht verwendet werden können.
Bekannt ist weiterhin aus der DE-OS 21 64 227 ein Analog-Digitalwandler, der mit einer konstanten
Zählfrequenz arbeitet und daher einen quarzgesteuer- ju ten Oszillator verwenden kann und bei dem dem
Sägezahngenerator, der die dem Meßwert entgegengeschaltete Sägezahnspannung erzeugt, eine analoge
Speicherschaltung zugeordnet ist, die am Ende jedes Zählvorganges bzw. am Ende der Meßphase bei J5
Abweichung des dann erreichten Sägezahnspannungspotentials von einer vorgegebenen Referenzspannung
entsprechend in ihrer Ladung und damit ihre Ausgangsspannung beeinflußt wird. Nachteilig ist jedoch
insgesamt bei den bekannten Analog-Digitalwandlern, daß zwar Möglichkeiten zur Eichung vorgesehen sind,
jedoch nicht festgestellt werden kann, ob zu einem gegebenen Zeitpunkt der Analog-Digitalwandler innerhalb
eines noch tragbaren Toleranzbereiches in seiner Genauigkeit liegt oder unter Umständen völlig falsche
Ausgangswerte anzeigt.
Da für besondere Anwendungsfälle, beispielsweise im Bereich des Abwiegens von Gütern dann, wenn
allgemein elektronisch gearbeitet wird, eine Analog-Digitalwandlung
höchster Präzision erforderlich ist, liegt to der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Nacheichung und Genauigkeitsüberprüfung bei einem Analog-Digitalwandler zu
schaffen, welches sich einfach durchführen läßt und bei dem es möglich ist, den noch zulässigen Toleranzbereich 5r>
vorzugeben und wiederholt zu ermitteln, ob der Analog-Digitalwandler sich innerhalb dieses Toleranzbereiches
befindet.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten Verfahren und besteht wi
erfindungsgemäß aus den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei der Erfindung ist besonders vorteilhaft, daß es nicht erforderlich ist, zur Genauigkeitsüberprüfung
eines Analog-Digitalwandlers dem Meßeingang eine bekannte Eingangsspannung zuzuführen und das Ergeb- f>
nis in der Weise auszuwerten, ob die möglicherweise vorhandenen Abweichungen noch innerhalb eines
akzeptierbaren Toleranzbereiches liegen, sondern die Erfindung löst intern in Verbindung mit der jeweiligen,
jeder Meßphase folgenden Eichphase auch die Toleranzbereichsüberprüfung aus und benutzt dabei in
vorteilhafter Weise die Bezugsspannungen, die dein Analog-Digitalwandler zur Eichung ohnehin zur Verfügung
stehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert an Hand der Zeichnung Aufbau und Wirkungsweise des Anmeldungsgegenstandes
im einzelnen. Dabei zeigt
Fig. 1 eine, zum Teil detailliert ausgebildete Schaltungsanordnung
eines Analog-Digitalwandlers, die das erfindungsgemäße System zur Genauigkeitsüberprüfung
und Eichung umfaßt, und
Fig.2 zeigt die bei dem Analog-Digitalwandler der Fig. 1 während Meßphase und Eichphase auftretenden
Spannungs- und Kurvenverläufe an verschiedenen Schaltungspunkten.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich das erfindungsgemäße System besonders gut als Ergänzung
und Verbesserung des in der DE-OS 21 64 227 beschriebenen Analog-Digitalwandlers eignet.
Bevor auf den eigentlichen Eichvorgang genauer eingegangen wird, erscheint es zum besseren Verständnis
zweckmäßig, den grundlegenden Aufbau und die grundlegende Wirkungsweise des erfindungsgemäßen
Systems anhand der prinzipiellen Schaltungsdarstellung der Fig. 1 und der Funktionsverläufe der Fig. 2 im
einzelnen kurz zu erläutern. Zunächst wird auf die Meßphase eingegangen.
Zur Messung der unbekannten Spannung Ux, die auf
beliebige Weise erzeugt werden kann und die als analoge Spannung der Eingangsklemme 1 der Schaltung
der Fig. 1 zugeführt wird, wird der Schalter 53 geschlossen, so daß diese Spannung über einen
Widerstand 2 zum Schaltpunkt PX gelangt. Über den Widerstand 3 wird der unbekannten Meßspanriung Ux
eine von einem Sägezahngenerator 4 erzeugte Sägezahnspannung entgegengeschaltet; der Sägezahngenerator
4 ist in üblicher Weise ein über einen Kondensator 5 rückgekoppelter Operationsverstärker und arbeitet
als Integrator. Der Schaltungspunkt Pl ist mit dem einen Eingang eines Vergleichers oder Komparators 6
verbunden, der entsprechend hoch empfindlich ausgebildet ist und die Koinzidenz der beiden am Schaltungspunkt Pl anliegenden Spannungen mit hoher Genauigkeit
feststellt.
Vor Beginn der Meßphase wird zunächst der Sägezahngenerator 4 durch Schließen des Schalters 55
mit einer Spannungsklemme geeigneten Vorzeichens verbunden und auf einen oberen Anschlag hochgefahren.
Von diesem Anschlag integriert dann der Integrator 4 nach unten und erzeugt den in Fig. 2 mit Uc
bezeichneten, strichpunktiert angegebenen Spannungsverlauf, der zwischen den beiden Bezugsspannungen
+ Ure! und — Uref linear verläuft.
Zunächst erfolgt jedoch noch eine Festlegung des oberen Integratorspannungsaüsgangswertes und damit
des Zeitpunktes, an welchem der zum Sägezahngenerator 4 parallellaufende Zähler seinen Zählvorgang
beginnt. Der Vorwärts-Rückwärtszähler 7 in Fig.T
steht zu Beginn der Meßphase auf seinem maximalen Zählerstandswert, den er in der vorhergehenden
Meßphase erreicht und in der darauffolgenden Eichphase beibehalten hat. Zur Festlegung des Zeitpunkts t\
(effektiver Meßphasenbeginn und Zählbeginn des Zählers 7) wird von einem in F i g. 1 allgemein mit dem
Bezugszeichen 8 bezeichneten Steuerwerk, welches neben den angegebenen Schaltungskomponenten noch
weitere, einen geordneten Ablauf des Gesamtsystems bewirkende Schaltungskomponenten enthält, auf die
jedoch nicht im einzelnen eingegangen zu werden r>
braucht, der Schalter 55 wieder geöffnet und bei geöffnetem Schalter 53 zunächst über den dann
geschlossenen Schalter 52 die negative Referenzspannung — Urcfüber den Widerstand 2 der Integratorausgangsspannung
entgegengeschaltet. Der Spannungsverlauf an Punkt Pl ist durch die jeweils zwischen zwei
Strichen zwei Punkte aufweisende und mit Ua in F i g. 2 bezeichnete Spannung gekennzeichnet; diese Spannung
entspricht in der eigentlichen Meßphase der unbekannten Meßspannung Ux. Mit dicker Linie schwarz i~>
durchgezogen ist die am Schaltungspunkt PX anliegende
Spannung Uv, die gleichzeitig die Eingangsspannung für den Komparator 6 darstellt. Wie ersichtlich, ist die
negative Referenzspannung — Uret zunächst negativ
kleiner als die von positiven Spannungswerten nach jn
unten integrierende Sägezahnausgangsspannung Uc-Der Integrator oder Sägezahngenerator 4 läuft daher
vom Zeitpunkt ta bis zum Zeitpunkt !;, zu welchem
Zeitpunkt die Eingangsspannung des Komparators 6 zu Null wird. Dadurch ändert sich die Ausgangsspannung r>
des Komparators, und über die Leitung 10 gelangt ein entsprechender Befehl an das Steuerwerk 8, welches
daraufhin mit Hilfe geläufiger Schaltungselemente, beispielsweise Kippschaltungen, Gatterschaltungen
u. dgl., auf die nicht weiter eingegangen zu werden \u
braucht, und über die Leitung 11 die von einem Oszillator oder Taktgenerator 12 stammenden Zählimpulse
freigibt und deren Zuführung über die Leitung 13 zum Vorwärts-Rückwärtszähler 7 veranlaßt. Gleichzeitig
wird zum Zeitpunkt U der Schalter 52 wieder .<>
geöffnet und der Schalter 53 geschlossen, so daß die Spannung am Schaltungspunkt P2 nunmehr den Wert
der unbekannten Meßspannung Ux annimmt.
Wie aus dem Funktionsdiagramm der F i g. 2 ersichtlich, ist ein solcher Analog-Digitalwandler so ausgelegt, ">
daß innerhalb bestimmter Grenzen beliebige positive und negative unbekannte Eingangsspannungen gemessen
werden können; es ist selbstverständlich möglich, ein solches System auch so auszulegen, daß beispielsweise
nur positive Eingangsmeßspannungen oder nur ·'"· Eingangsmeßspannungen gemessen werden, die nur um
einen bestimmten Prozentwert negativ werden können.
Ab dem Zeitpunkt fi laufen der Integrator 4 und der
Zähler 7 von ihren Extremwerten (d. h. vom Zählerstand n,mx bzw. von der der negativen Referenzspannung r>
<> — Urcf entgegengesetzt gleichen Ausgangsintegratorspannung
U1) rückwärts gegen Null, wobei der Zählerstand zu jedem Augenblick ein Maß für die
Ausgangsspannung Uc des Sägezahngenerators 4 ist.
Durchlaufen Zähler 7 und Sägezahngenerator 4 den v>
Wert Null, was dann der Fall ist, wenn dem Analog-Digitalwandler eine positive unbekannte Eingangsmeßspannung
Uy zugeführt ist, denn, wie ersichtlich,
ist bei negativen Meßspannungswerten die Meßspannung noch vor dem Zählerstand Null entge- w>
gengesetzt identisch der lntegratorausRangsspannung —, dann zählt der Zähler 7 automatisch nunmehr
aufwärts, wobei durch geeignete Mittel, die das Durchlaufen des Zählerstands Null feststellen, auch das
Vorzeichen der Eingangsmeßspannung ermittelt und i>r>
angegeben werden kann.
Ist dann schließlich zum Zeitpunkt I2 die Meßspannung
Ll, positiv gleich der negativen Sägezahnspannung Uc dann durchläuft die Eingangsspannung Uv des
Komparators 6 den Wert Null und der Komparator veranlaßt das Steuerwerk 8, daß der momentane
Zählerinhalt zu diesem Zeitpunkt auf den Speicher 16 übertragen wird, was durch einen geeigneten, vom
Steuerwerk 8 erzeugten Schiebeimpuls auf der Leitung 15 geschehen kann. Im Speicher ergibt sich dann ein
Zählerstand, der dem Wert der zu messenden Spannung Ux entspricht.
Nach Übernahme des Zählerinhalts in dem nachgeschalteten Speicher 16 laufen jedoch, wie F i g. 2 zeigt,
unabhängig von der Auslösung des Schiebeimpulses durch den Komparator 6 Zähler und Integrator weiter,
bis der Zähler seinen extremen Zählerstand nm:„
erreicht hat.
Dieser maximale Zählerstand des Zählers 7 muß auf den Wert der vom Sägezahngenerator 4 zu diesem
Zeitpunkt erreichten Ausgangsspannung bezogen sein, denn nur wenn hier die Korrelation präzise aufrechterhalten
bleibt und auch nicht auswandert, ist die Genauigkeit der Analog-Digitalwandlung überhaupt
gesichert. Der erreichte Endwert der Integratorausgangsspannung bestimmt sich jedoch durch die
Spannung, die von einer mit dem Bezugszeichen 20 versehenen Speicherschaltung dem Sägezahngenerator
4 als zu integrierende Eingangsspannung zugeführt wird. Je nach Größe dieser zu integrierenden Spannung
ergeben sich Steilheit und erreichter Endwert der Sägezahngenerator-Ausgangsspannung und die Nacheichung
bzw. Anpassung der Sägezahnspannung an den Zählerstand erfolgt dann auch durch entsprechende
Beeinflussung der Spannung in der Speicherschaltung 20.
Grundsätzlich leitet der Vorwärts-Rückwärtszähler 7 bei Erreichen seines maximalen Zählerstandes die
Eichphase ein, die bei der Betrachtung der Erfindung von wesentlicher Bedeutung ist. Diese Eichung erfolgi
dann allgemein so, daß, veranlaßt durch ein entsprechendes Ausgangssignal des Zählers 7, welches leichl
durch Abnahme einer Spannung an der letzten Zählerstelle gewonnen werden kann, zur Eichung dem
beim maximalen Zählerstand n„m erreichten Endweri
der festgehaltenen Ausgangsspannung des Sägezahngenerators 4 durch Schließen des Schalters 51 die
positive Referenzspannung + Urcr entgegengeschaltel
wird. Stimmen diese Spannungen überein, führt die Komparatormeldung zu keiner Nachregelung; ergibi
sich eine Differenz, dann beeinflußt der Komparator f die Speicherschaltung 20 derart, daß für den oder die
nächsten Meßzyklen durch Änderung der gespeicherten, vom Sägezahngenerator 4 zu integrierender
Spannung die Ausgangsspannung des Sägezahngenerators 4 so angepaßt wird, daß keine Abweichung mehl
festgestellt werden kann.
Dies bedeutet jedoch nicht, daß nicht eine Messung auch bei fehlender Übereinstimmung möglich ist und die
Erfindung schlägt Maßnahmen vor, wie eine einwand freie Überprüfung und Eichung eines solchen Analog
Digitalwandlers ohne größeren Aufwand möglich ist An sich könnte ein solcher Analog-Digitalwandlei
dadurch geeicht werden, daß man, beispielsweise ir periodischen Abständen, als unbekannte Meßspannunj
an der Eingangsklemme 1 eine bekannte Referenzspan nung aufschaltet, die dann ein ganz bestimmte:
Ausgangszählersignal hervorrufen muß, welches nui innerhalb enger Toleranzen, beispielsweise jeweils zwe
Zählschritte nach oben oder unten bei einem Zähler stand von 10 000, hiervon abweichen darf. Ein«
verblüffende Lösung einer solchen Nacheichung ergibt sich jedoch wenn entsprechend einer erfindungsgemäßen
Maßnahme so vorgegangen wird, daß die ohnehin am Ende jedes Meßvorgangs vorgenommene Aufschaltung
der positiven Referenzspannung Urcr (was der Nacheichung der Speicherschaltung 20 dient) dazu
ausgenutzt wird, gleichzeitig den Eichzustand des Analog-Digitalwandlers überhaupt und sein Genauigkeitsverhalten
festzustellen.
Läßt man nämlich nach Erreichen des maximalen Zählerstandes nmax die Integratorspannung, d. h. die
Ausgangsspannung des Sägezahngenerators 4 weiterlaufen und schaltet man zu diesem Zeitpunkt, wie schon
erwähnt, die Referenzspannung auf und gibt man gleichzeitig einen sich aus den Toleranzbedingungen
bestimmenden minimalen Zeitraum vor, innerhalb welchem Integrator- oder Sägezahngenerator-Ausgangsspannung
und Referenzspannung einander entgegengesetzt gleich sein müssen, dann ist sichergestellt,
daß die Präzision des Systems dann innerhalb des Toleranzbereiches liegt, wenn die Gleichheit von
Referenzspannung und Integratorspannung im vorgegebenen Zeitintervall liegt, dessen Dauer sich durch
einen von dem Steuerwerk 8 erzeugten Regelimpuls 22 bestimmt, der in F i g. 2 eingezeichnet ist. Dieser
Regelimpuls 22 kann mindestens mittelbar von der Frequenz des Taktgenerators 12 abgeleitet sein, dessen
Zählimpulsfolge streng proportional zum Anstieg der Sägezahnspannung verlaufen muß. Diese Erzwingung
der Synchronität zwischen Oszillatorfrequenz des Taktgenerators (die ohne weiteres und mit bekannten
Schaltungsanordnungen je nach Wunsch herabgesetzt werden kann) und dem Verlauf der Sägezahnspannung
ist der Hauptgrund für das Vorhandensein der Speicherschaltung 20 und die Verwendung der erwähnten
Referenzspannungen. Durch die Eichphase am Ende jedes Meßvorganges wird die Sägezahnspannung oder
Rampenspannung der Oszillatorfrequenz angeglichen und in der Eichphase wird auch in entsprechender
Weise, wie weiter unten noch ausführlich geschildert, auf die Speicherschaltung 20 eingewirkt, die die von
dem Sägezahngenerator 4 aufzuintegrierende Spannungbereitstellt.
Es versteht sich, daß entgegen dem Kurvenverlauf der Fig.2 die von dem Integrator erzeugte Sägezahnspannung
auch von unten nach oben ansteigend verlaufen kann; dies sind lediglich Umkehrungen der
vorhandenen Schaltungsinöglichkeiten. Auch die Ausübung der Schaltfunktsonen vom Steuerwerk 8,
insbesondere in der Meßphase (auf die Eichphase wird gleich noch eingegangen) sind im einfachsten Fall durch
gattergesteuerte Schaltungssysteme vorzunehmen.
Der Darstellung der F i g. 2 läßt sich entnehmen, daß der Regelimpuls 22, dessen Dauer die Breite der noch
akzeptierbaren Toleranz bezüglich der Genauigkeit des Analog-Digitalwandlers vorgibt, einen vergleichsweise
sehr kurzen zeitlichen Abstand zum Zeitpunkt h aufweist, zu welchem der Zähler 7 seinen maximalen
Endstand erreicht und durch ein entsprechend gattergesteuertes Schaltsignal der Schalter 51 geschlossen und
damit die positive Referenzspannung aufgeschaltet ist. Dieser zeitliche Abstand Δ τ ist zweckmäßig, damit
Einschwingvorgänge, die beim Aufschallen dieser Referenzspannung entstehen können, abgeklungen sind,
bevor der Koinzidenzvergleich mit der Sägezahnspannung vorgenommen wird.
Ein mögliches Ausfuhrungsbeispiel für diesen wesentlichen Eichphasenabschnitt wird im folgenden im
einzelnen erläutert; es versteht sich aber, daß die Erzeugung des Schalt- oder Regelimpulses 22 und die
Abtastung der sich innerhalb des hierdurch vorgegebenen Zeitraums ändernden Spannungsverhältnisse am
Ausgang des Komparators 6 auch durch andere, geeignete Schaltmittel vorgenommen werden können.
Sobald der Zähler 7 seinen maximalen Endstand nmax
erreicht hat, wird über die Leitung 22 dem Steuerwerk 8 ein entsprechender Impuls zugeleitet, der beispielsweise
ίο durch das Hochgehen auch der letzten Stelle des
Zählers 7 erzeugt werden kann.
Dieser Impuls, der durch eine entsprechende Gattersteuerung auch die Zuführung weiterer Zählimpulse
zum Zähler 7 unterbrechen kann, steuert eine bistabile Kippstufe 23 an, an deren Ausgang ein sogenannter ME
(Meßphase Ende)-Impuls erzeugt wird. Dieses ME-Signal gibt einen nachgeschalteten Taktgenerator 24 frei,
der eine Anzahl von Zähltakten, beispielsweise 10 Zähltakte, an einen entschlüsselten Dekadenzähler 25
liefert. Bei einem solchen entschlüsselten Dekadenzähler kann es sich beispielsweise um einen sogenannten
»Johnson«-Zähler handeln, der so verschlüsselt ist, daß im zyklischen Ablauf an beispielsweise zehn seiner
Ausgangsanschlüsse jeweils für einen bestimmten Zeitraum hohes Potential bzw. der Zustand log 1
vorliegt. Ein von einem solchen entschlüsselten Dekadenzähler 25 zur Verfügung gestellter zeitlicher
Ablauf wird ausgenutzt, um die einzelnen Schaltfunktionen zu erzeugen. Der erwähnte Schalt- oder Regelimpuls
22 wird am Ausgang des UND-Gatters 26 erzeugt und gelangt auf ein nachgeschaltetes bistabiles Flipflop
(7>Flipflop) 27 sowie zum Eingang eines Schalters 56,
der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Feldeffekttransistor ausgebildet ist und den Ausgang
des Komparators 6 mit dem Eingang 28 der Speicherschaltung 20 verbindet. Die Erzeugung des
Regelimpulses 22 erfolgt durch Verknüpfung des zu einem geeigneten Zeitpunkt hochgehenden Ausgangssignals
eines der Ausgänge des entschlüsselten Dekadenzählers 25 (hier abgenommen am Ausgang O) mit
dem Zähltakt des Taktgenerators 24. An sich ist diese Verknüpfung nicht unbedingt notwendig, beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel wurde sie deshalb gewählt, damit in Relation zu den anderen zeitlichen Abläufen
die effektive Dauer des Regelimpulses 22 0,35 msec betragen soll. Diese Dauer läßt sich durch die
angegebene Verknüpfung erreichen. Für den Fachmann versteht es sich aber, daß ein solcher Schaltimpuls durch
geeignete Schaltmittel nach Erreichen eines maximalen
so Zählerstandes auch in anderer Weise erzeugt und ausgewertet werden kann.
Der Regelimpuls 22 geht auf den »D«-Eingang des
Überwachungs-Flipflops 27, nachdem dieses durch die entschlüsselte Neun am Dekadenzähler 25 am Ende
jeder Eichphase gesetzt worden ist.
Andererseits ist der Komparator 6 so ausgebildet und läßt sich auch der Darstellung der F i g. 2 entnehmen,
daß dieser sein Ausgangspotential dann, wenn die hinzugeführte Eingangsspannung den Nullpegel durchläuft,
schlagartig ändert, beim Ausführungsbeispiel von einer negativen Spannung in eine entsprechende
positive Spannung. Trifft nun dieser Änderungsimpuls in dem Zeitraum ein, während welchem vom Gatter 26 am
Flipflop 27 der Schaltimpuls anliegt, dann wird der Schaltimpuls vom Flipflop 27 übernommen, und es
kommt zu einer Änderung des Ausgangspotentials des Flipflops 27, welches in entsprechender Weise ausgewertet
wird und welches gleichzeitig angibt, daß
Synchronisation des Analog-Digitalwandlers vorliegt,
da die Sägezahnspannung nach Erreichen des maximalen Zählerstandes innerhalb eines vorgegebenen ToIeranzzeitraumsentgegar.gesetztidentisch
zur aufgeschalteten Referenzspannung ist.
Die Auswertung der Umschaltung des Flipflops 27 kann in beliebiger Weise geschehen, beispielsweise
bewirkt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Umschaltung das Leitendwerden eines nachgeschalteten
Transistors 30, so daß eine über einen Widerstand 31 mit dem Kollektor des Transistors 30 verbundene
Leuchtdiode 32 aufleuchtet und die einwandfreie Eichung und Betriebsbereitschaft des Geräts anzeigt. In
entsprechender Weise läßt sich das Ausgangssignal weiter ausnutzen zur Sperrung des Betriebsablaufs oder
der Meßphase so lange, bis schließlich Synchronisation erreicht ist und/oder zur Anzeige eines Überlast- bzw.
nicht betriebsbereiten Zustande.
Im Idealfall durchläuft somit, wie Fig.2 zeigt, die entgegengeschaltete Bezugsspannung + £/reiden Regelpuls
in dessen zeitlicher Mitte was dadurch zum Ausdruck kommt, daß der Eingang des !Comparators 6
während der ersten Hälfte des Regelimpulses 22 hoch und während der zweiten Hälfte niedrig liegt, mit einer
entsprechenden, umgekehrten Potentialverteilung am Komparatorausgang, wobei jedoch der Komparatorausgang
beim Durchlaufen des eingangsmäßigen Nullpotentials ausgangsmäßig ein Sprungfunktionsverhalten
zeigt.
Der Ausgang des !Comparators 6 ist über die Verbindungsleitung 35 und den schon erwähnten
Schalter 56 mit dem Eingang der Speicherschaltung 20 verbunden, die in vorteilhafter Weise als Integrator,
bestehend aus einem Operationsverstärker mit einem über Eingang und Ausgang geschalteten Kondensator
36 ausgebildet ist. Liegt die Ausgangssprungfunktion oder der Umschaltzeitpunkt des Komparators 6 genau
in der Mitte des Regelimpulses 22, der über die Leitung
37 auch den Schalter 56 steuert, der das Ausgangspotential des Komparator mit dem Eingang der
Speicherschaltung 20 verbindet, dann ist ersichtlich, daß der Integrator die von ihm für den nachgeschalteten
Sägezahngenerator 4 bereitgestellte Spannung nicht ändert, da er in gleichem Maße abwärts und aufwärts
integriert hat. Verschiebt sich der Nulldurchgang des Komparators 6 innerhalb des vorgegebenen Toleranzzeitraums,
dann ändert sich entsprechend (weil nunmehr entweder das negative oder das positive Potential am
Eingang des integrierenden Speichers 20 länger anhält) in entsprechender Weise, und zwar um so stärker, je
stärker der Nulldurchgang aus der Mitte der Regelsignaldauer heraus verschoben ist. Dieser Schaltungsteil
wirkt daher wie ein Proportionalregler und führt die Synchronisation und den Gleichlauf der den Analog-Digitalwandler
bildenden Komponenten um so eher herbei, je stärker die jeweilige Abweichung ist. Liegt der
Nulldurchgang dann außerhalb des vorgegebenen Toleranzzeitraums (entsprechend Dauer des Regelimpulses
22), dann ist der Analog-Digitalwandler, wie beschrieben, nicht im Betrieb; er erreicht jedoch seine
Betriebsbereitschaft innerhalb weniger Zyklen, und zwar nicht zuletzt wegen des Proportionalverhaltens
beim Ausregeln der Abweichung. Zusammengefaßt läßt sich feststellen, daß die Überwachung auf Einhaltung
der Synchronisation und Eichung im wesentlichen digital erfolgt, während die Nachregelung und die
Beeinflussung der Speicherschaltung 20 über eine Analogregelung durchgeführt wird.
10
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der F i g. 1 erfolgt die Rücksetzung des ersten Flipflops 23 in der
Schaltungsreihe durch den über die ftC-Kombination 40, 41 differenzierten Impuls am Ausgang der
entschlüsselten Null des Dekadenzählers 35, wodurch das Flipflop 23 wieder auf die Stellung »Messen«
umgeschaltet und die Eichphase beendet wird. In der Darstellung der Fig. 2 läuft die integrierte Ausgangsspannung
des Sägezahngenerators 4 weiter, bis beispielsweise durch einen anderen Schaltimpuls die
Schalter 55 und 53 geschlossen und damit wieder der eingangs schon erwähnte Potentialverteilungszustand
wiederhergestellt wird. Unterhalb der Darstellung des Kurvenverlaufs der Fig.2 sind noch einige Angaben
hinsichtlich der Schalterstellung der insgesamt vorhandenen Schalter 51 bis 56 gemacht, es versteht sich, daß
auch die restlichen Schalter, soweit erforderlich, durch entsprechende Halbleiterschaltelemente, beispielsweise
Feldeffekttransistoren ersetzt werden können. Durch ein geeignetes Schaltsignal des Steuerwerks 8 wird über
einen Feldeffekttransistor 42 der Integrator in seine Startposition für die nächste Meßphase gebracht.
Dieses Schaltsignal kann beispielsweise durch Verbinden eines geeigneten, im geeigneten zeitlichen Rasterabstand
liegenden Ausgangspotentials des entschlüsselten Dekadenzählers 25 mit der Leitung 43 erfolgen, wie
überhaupt die Ausgänge des entschlüsselten Dekadenzählers 25 auch für die Durchführung sonstiger
erforderlicher Schaltfunktionen herangezogen werden können. Die Rückstellung des ersten Flipflops 23 auf die
Position »Messen« führt ebenfalls zu einem Ausgangssignal, welches durch den Pfeil 44 angedeutet ist und
welches beispielsweise zur Durchführung entsprechender Schaltfunktionen, etwa Schließen der Schalter 52
und 55, verwendet werden kann.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet eines solchen Analog-Digitalwandlers liegt auf dem Gebiet des
Wiegens; dabei wird der Eingangsklemme 1 eine unbekannte, einem unbekannten Gewicht proportionale
♦o Spannung zugeführt und die Gewichtsanzeige kann mit hoher Präzision in Sekundenschnelle erfolgen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht dann darin, daß zur
Gewichtsbestimmung eine Brückenschaltung verwen- «5 det wird, deren eines Glied beispielsweise über einen
druckempfindlichen Sensor oder Widerstand verfügt und dem unbekannten Gewicht ausgesetzt wird. Speist
man diese Brücke mit einer geeigneten Bezugsspannung, wobei beispielsweise die ohnehin schon vorhandenen
Referenzspannungen verwendet werden können, dann erhöht sich die Genauigkeit des Systems weiter, da
die Referenzspannungen ja gleichzeitig auch der Eichung und Synchronisation dienen.
Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die in der Eichphase wirksam werdenden Schaltungskomponenten
innerhalb des Steuerwerks 8 lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel darstellen; so ist es beispielsweise
denkbar, daß durch ein geeignetes, beispielsweise monostabiles Schaltungselement, welches nach Beendigung
des Zählvorgangs des Hauptzählers 7 angestoßen wird, ein Impuls einstellbarer Länge erzeugt und einer
Gatterschaltung zugeführt wird, deren anderer Eingang mit dem Ausgang des Komparators 6 verbunden ist, und
die so ausgebildet ist, daß nur bei gleichzeitigem Vorliegen beider Impulse sonstige Schaltungsvorgänge
veranlaßt bzw. die Betriebssicherheit des Gerätes angezeigt wird.
Claims (8)
1. Verfahren zur wiederholten Nacheichung und Genauigkeitsüberpriifung eines Analog-Digitalwandlers,
mit einem eine linear ansteigende, in ihrer Steilheit veränderbare Sägezahnspannung erzeugenden
Sägezahngenerator, einem von einem Oszillator stammende Taktimpulse zählenden Zähler,
einer bei Übereinstimmung einer Eingangsmeßspannung mit der Sägezahnspannung durch Signalgäbe
die Auswertung des Zählerinhaltes ermöglichenden Vergleichsschaltung und mit mindestens
einer Referenzspannungsquelle, die am Ende der Meßphase mit der Sägezahnspannung verglichen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß man der nach Ende der Meßphase weiter ansteigenden
Sägezahnspannung die Referenzspannung entgegenschaltet, daß ein Regelimpuls vorgegebener
Dauer erzeugt und daß festgestellt wird, ob die Übereinstimmung der Referenzspannung mit der
Sägezahnspannung zeitlich innerhalb der Regelimpulsdauer liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich zum Zeitpunkt der Identität
von Sägezahnspannung und Referenzspannung sprunghaft ändernde Ausgangsspannung der Vergleicherschaltung
einer integrierenden, das Eingangsspannungspotential für den Sägezahngenerator liefernden Speicherschaltung zugeführt wird.
3. Analog-Digitalwandler mit einem eine linear ansteigende in ihrer Steilheit veränderbare Sägezahnspannung
erzeugenden Sägezahngenerator, einem von einem Oszillator stammende Taktimpulse zählenden Zähler, einer bei Übereinstimmung einer
Eingangsmeßspannung mit der Sägezahnspannung durch Signalgabe die Auswertung des Zählerinhaltes
ermöglichenden Vergleichsschaltung und mit mindestens einer Referenzspannungsquelle, die am
Ende der Meßphase mit der Sägezahnspannung vergleichbar ist, zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Ablauf des Zählers (7) gesteuerte
Schaltungsanordnung (24, 25,26) vorgesehen ist, die nach Ablauf der Meßphase einen Regelimpuls (22)
vorgegebener Dauer erzeugt und daß eine diesen Regelimpuls und den bei Identität zwischen weiter
ansteigender Sägezahnspannung und entgegengeschalteter Referenzspannung entstehenden Vergleicherausgangsimpuls
empfangende Überwachungsschaltung (27) vorgesehen ist, die auswertbare Toleranzüberschreitungen anzeigt.
4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Sägezahngenerator (4)
zugeordnete Speicherschaltung (20) als Integrator ausgebildet und während der Dauer des Regelimpulses
(22) über einen Schalter (S6) mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung (Komparator 6) verbunden
ist.
5. Wandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein entschlüsselter Dekadenzähler
(25) vorgesehen ist zur Erzeugung von die erforderlichen Schaltungsabläufe bestimmenden
Zeitintervallen, dem eine bistabile Kippschaltung (27) nachgeschaltet ist, der einerseits der Regelimpuls
(22) und andererseits das Ausgangssignal des &5 Komparator (6) zugeführt ist und die ihren
Schaltungszustand nur dann ändert, wenn das Komparatorausgangssignal zeitlich innerhalb der
Dauer des Regelimpulses (22) liegt.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Zähler (7) angestoßenes Flipflop (23) vorgesehen ist, welches
einen das Ende der Meßphase anzeigenden Impuls (ME) erzeugt, der einem nachgeschalteten Taktgenerator
(24) zuführbar ist der seinerseits den entschlüsselten Dekadenzähler (25) zyklisch durch
Zuführung von Zählimpulsen weiterschaltet.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verknüpfung
der dem Dekadenzähler (25) zugeführten Zählimpulse mit einem seiner Ausgangsimpulse über ein
UND-Gatter (26) der Regelimpuls erzeugt ist, der gleichzeitig dem als Feldeffekttransistor ausgebildeten
Schalter (S 6) zugeführt ist, der den Ausgang des Komparators (6) mit dem Eingang der integrierenden
Speicherschaltung (20) verbindet.
8. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
nach Ende der Meßphase und der dem Vergleich der weiteransteigenden Sägezahnspannung mit der
Referenzspannung dienenden Eichphasenteilzeit der Speicherkondensator (5) des Sägezahngenerators
(4) über einen vom Steuerwerk (8) beaufschlagten Halbleiterschalter (Feldeffekttransistor 42) entladen
wird.
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